「教育とは、学校で習ったすべてのことを忘れてしまった後に、自分の中に残るものをいう。」 by A.Einstein

KAGRA デジタルシステム(DGS)の開発 (LIGOと共同開発)

KAGRAを重力波望遠鏡として運用するには、少なくとも5つの入りくんだ光共振器の長さの自由度をそれぞれよいSNで取得し、かつその光共振器が共振するようにその長さを制御しなければなりません。従来のシンプルな重力波望遠鏡ではその長さの自由度が少なかったので、アナログ制御でなんとか間に合っていましたが、KAGRAでは複雑すぎるためデジタル制御を行うことが必須です。このデジタル制御では、その各共振器の長さの制御に最適な制御フィルターをPC画面上で、自由に即座に変更できるとともに、5つの長さの制御を順序立てて制御していくスイッチング等、非常に多くの自由度をもってKAGRAを重力波望遠鏡として運用することが可能となります。現在は、アメリカのLIGOグループと強力な協力関係の元、KAGRA用のデジタルシステムを構築しております。

最近の成果は、KAGRA F2F Meetingで報告されていますので、興味のある方は、覗いてみて下さい。

KAGRA 入射光学系(IOO)の開発(富山大等と共同開発)

レーザー干渉計型重力波望遠鏡では、高出力で高安定なレーザー光源が必要です。波長は1064nmで出力180Wを目指しています。現在(2018年9月)は、40Wのファイバーレーザー1個での運用をめざしています。レーザーの波長は、究極的には、重力波の効果を検出する物差しになるものですから、その波長(周波数)に関し極限的な安定度を求められるのはもちろんのこと、強度揺らぎや、ビームの横モードに関する安定度も優れていなければなりません。市販のレーザー光源だけでは、これらを満たすことはできないので、鏡固定式のPre-mode Cleanerや30メートル級の鏡防振型モードクリーナー、そして、強度安定化制御、鏡姿勢制御などの複雑な制御系を駆使して、安定化されたレーザー光のレーザー干渉計への途絶えることのない供給を目標としています。

最近の成果は、KAGRA F2F Meetingで報告されていますので、興味のある方は、覗いてみて下さい。

KAGRA 透過光モニターシステム(TMS in AOS)(国立天文台と共同開発)

重力波望遠鏡で重力波の効果を蓄積する部分は、言うまでもなく、KAGRAの場合は、互いに直行する、3kmの長さを持つ二本のFabry-Perot共振器ですが、このFP共振器の共振状態を最適に保つには、その透過光をモニターすることが必須です。そのためのシステムが、「KAGRA 透過光モニターシステム」です。重力波望遠鏡用として使用する1064nmのレーザー光線のモニターだけではなく、この長大なFP共振器を共振状態に遷移させるために補助的に用いられる532nmのレーザー光線にも対応した、二波長対応型システムが必要とされています。さらに、FP共振器を透過したばかりの光の直径は、6cm程度と大きいため、それを精密研磨された光学素子を伝搬させることで、直径数mmの光検出に導入する性能が求められるほか、装置自体の揺れに関しても、透過光の揺れより十分安定な性能が求められます。主開発チームは、国立天文台ですが、宇宙線研のメンバーもこの構築に協力しています。

最近の成果は、KAGRA F2F Meetingで報告されていますので、興味のある方は、覗いてみて下さい。

熱輻射シールドダクトの開発(CRY)(KEKと共同開発)

KAGRA では、干渉計、防振装置全体を冷却することが困難であるため、ビームダクト、防振装置は常温のまま、鏡を収容する低温槽のみを冷却する。そのため、低温槽開口部から入射する熱放射を低減する必要がある。この方法として、図1 に示したようなダクトシールド(アルミニウム、100 K)を用いて300 K 領域(赤で示した)を見込む立体角を小さくする方法がある。しかし、それでも熱放射がダクトシールド壁面で反射して低温槽に入射する[1] ため、図2 のようなバッフルを入れることでどの程度この入射パワーが減るかを光線追跡を用いて計算した。その結果、1 つのダクトシールドにつきバッフルを5 枚入れることで、熱放射は冷却能力に比べて1 桁小さい値まで低減可能であることがわかった。今後、低温槽、ダクトシールドを試作し、計算結果を実証する予定である。

最近の成果は、KAGRA F2F Meetingで報告されていますので、興味のある方は、覗いてみて下さい。

KAGRA Cryostat開発(CRY)(KEKと共同開発)

KAGRAでは、重力波への感度を制限する鏡の熱雑音を低減するために、第三世代重力波望遠鏡で導入することが想定されていた技術、つまり、鏡を冷却する技術を先駆けて導入し、熱雑音の克服と、感度の向上を目指しています。そのために鏡の基材としては、溶融石英ではなく、不純物を極限まで低減した、サファイアの単結晶が使用されますが、それを冷却するために、クライオスタットという断熱構造を持った真空槽が必要です。そのサファイア鏡は、液体寒剤や低温ガスを一切使用できず、冷凍機だけで冷却されなければならず、かつ、振動も伝わってはいけないため、低振動型の冷凍機と高熱伝導金属素材の開発も必要です。さらに、超高真空でなければならないので、アウトガスを低減した断熱素材の開発も必要です。また、体積も下記の低温鏡懸架装置を格納し、かつ人が活動可能な大きさが要求されるため、その冷やすべき対象の熱容量は非常に大きく、かつ、可能な限り冷却時間も短縮したいため、熱放射の低い素材の選定も必要です。クライオスタットの開発では、これらの性能向上を継続的に測り、KAGRAだけでなく、第三世代重力波望遠鏡につながる技術開発も行っています。

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KAGRA 低温(サファイア)鏡懸架装置の開発(CRY)(KEK、富山大等と共同開発)

先のサファイア鏡は、熱伝導だけで20Kまで冷却されなければならないが、鏡の表面の光損失を発生させないため、低温熱交換ガスは一切使用できず、熱伝導だけで冷却させる必要があります。同時に、鏡は地面振動からも、冷凍機の振動からも十分防振されなければなりません。この厳しい要求を満たすために、KAGRAでは、先のクライオスタット内で、このサファイ鏡を防振懸架し、かつ熱伝導だけで冷却する、「低温鏡懸架装置」の開発を行っています。

最近の成果は、KAGRA F2F Meetingで報告されていますので、興味のある方は、覗いてみて下さい。

KAGRA 鏡防振装置の開発(VIS)(国立天文台と共同研究)

レーザー干渉計重力波検出器は鏡同士の距離の微小変化を検出することにより重力波を捉える。そのため、なるべく重力波以外の要因で鏡が揺れないようにしなければならない。地上に検出器を作る場合、地面振動は鏡を揺らす大きな要因となるため鏡を防振する必要がある。KAGRAではSAS(Seismic Attenuation System)と呼ばれる低周波防振システムにより、水平方向と鉛直方向の両方を防振する。防振装置を通じて地面振動が鏡にどう伝達するかを見積もるため、防振装置の3次元剛体モデルの構築を現在進めている。また、干渉計を動作させるためにはアクチュエータを用いて鏡の位置や角度を制御する必要があるが、鏡および防振装置に力やトルクを加えた時にどういった挙動を示すかについてもシミュレーションを行っている。アクチュエータによって鏡に直接力を加えると雑音が混入する恐れがあることから、鏡の一つ上の段(中段マスと呼ばれる)に力を加えることで、制御雑音の影響を抑えつつ鏡の位置を制御することを現在検討している。

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KAGRA 光輻射圧を利用した重力波信号の校正(CAL)(KEK、台湾グループと共同研究)

重力波望遠鏡でとらえられた重力波信号は、最初は電圧(電流)信号ですが、その出力電圧(あるいは、その重力波による鏡の変位を押しとどめようとさせるフィードバック制御信号)がどれだけの鏡の変位に相当するのかをあらかじめ知っておく必要があります。従来、マイケルソン法という観測開始前の電圧/変位校正と、運転中のレーザー干渉計の変化をモニターするキャリブレーション信号注入による継続モニタリングの併用により、時々刻々と変化する電圧/変位校正値の推定を行っていましたが、これでは、10%くらいの誤差が生じ、将来の重力波を利用した、相対性理論の正当性の議論、修正重力理論の選別、重力波発生天体に関するパラメータ推定が十分に行えないことになるため、代替手法が検討されていました。最近LIGO/Virgoなどで行われているのが、鏡に外部から別の強度変調させたレーザー光線を常時打ち込み、その光の輻射圧を利用して、変調周波数で鏡を動かし、レーザー干渉計の出力を見ることで、校正とする方法で、KAGRAでも、この装置の装着がKEK・台湾グループを中心に進めていますが、宇宙線研のメンバーも協力して行っています。将来的には、重力ポテンシャルの変調で鏡を変革力で直接動かすG-calの導入も想定されています。

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KAGRA サファイア高品質鏡基材の開発(株式会社・信光社様および国立天文台と共同研究)

KAGRAでは、熱雑音の低減のために、サファイア基材を腕Fabry-Perot共振器用の鏡の基材として利用します。また、第三世代重力波望遠鏡用の鏡の基材の一候補としても上がっています。しかし、腕Fabry-Perot共振器用の鏡として二枚必要な鏡のうち、ビームスプリッタ―に近い位置にあるサファイア鏡は、内部を数百ワットレベルの強力なレーザー光が通過するため、基材の数十ppmレベルの熱吸収でさえ鏡を温めるのに十分となり、鏡の冷却状態を維持することが不可能になります。そのためには、低熱吸収(当面は20ppm/cm)なサファイア基材の開発が必須です。さらに、鏡の直径は、22cmと非常に大きいため、結晶の一様性をこれだけの大きさで維持する技術も必要です。KAGRAは、株式会社信光社様と協力して、この高品質、低吸収な大型サファイア基材の開発で共同研究を行っています。性能計測においては、LIGO/Caltechの検査機器を利用させていただいています。

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KAGRA 環境雑音モニターシステム(PEM)

重力波望遠鏡では、重力波以外が原因で鏡が動くことは頻繁に起こりえます。よって重力波信号とそうでないものを選別することは本質的に重要な過程です。そのために、重力波望遠鏡では、数多くの環境雑音をモニターするシステムをKAGRA全体にわたって用意する必要があります。地面振動系、温度、湿度、音響、散乱光、各種制御信号、電源ライン、照明、などです。これらの膨大なデータを収集し、かつ、重力波尊号データと突き合わせ、重力波選別を行う処理系の開発を行っています。極めて地味に見える作業ですが、LIGOでは、賞金を懸けてそのチャレンジを募集するほど、重要な作業と考えられており、この効率的な選別は、つまりは、効率的かつ迅速な重力波信号の告知につながり、つまりは、マルチメッセンジャー観測母体へ告知の信頼を担保するうえで、極めて重要なのです。

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KAGRA データ解析(DAS)(大阪市大、新潟大、長岡技術科学大等と共同研究)

TBD

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CLIOを利用した第三世代重力波望遠鏡のロックアクイジッション

第三世代の重力波望遠鏡の要素技術の内、高周波側の感度向上のために行うRSEゲインの増大は、腕FP共振器の光滞在時間を、第二世代重力波望遠鏡以上に大きくすることが大前提となる。もちろん、それに伴う輻射圧雑音の上昇は、鏡の大型化や「Quantum Non Demolition」という将来技術による別の低減努力が必要になるが、そのようなトレードオフは第三世代重力波望遠鏡デザインでは避けては通れず、むしろそれを解決するのが第三世代重力波望遠鏡要素技術開発の研究課題である。そのような研究課題の中、本研究は、第三世代重力波望遠鏡では、光の滞在時間がさらに10倍程度の50ミリ秒オーダーになり、そのFP共振器の共振導入制御は第二世代に比してさらに困難を極めることに着目し、我々の提案する方法により、それを技術的に解決できることを立証することで、第三世代重力波望遠鏡のレーザー干渉計としての基本的動作を保証することを目的とする。

光の滞在時間が長いFP共振器では、防振しきれない鏡のゆれによる(100 [ナノメートル/秒]程度)、鏡で反射するレーザー周波数のわずかな周波数ドップラーシフトでさえ、その位相への影響は大きく、鏡の位置と信号の線形関係が保たれたPound-Drever-Hall (PDH)信号が取得できない問題(ビート問題という)が発生する。ただでさえPDH法では、線形信号領域が狭いという問題もあり、重力波望遠鏡開発グループの世界では、その二つの問題を総称して、「FP共振器のLock Acquire問題」と認識し、その解決策がいくつか提案されている。その対策としては、例えば、アメリカLIGO計画では、干渉計に使用する波長1064nmの倍波である532nmのレーザーをその基本波から生成し、FP共振器を構成する鏡の反射膜を倍波に対しては低い反射率になるように設計することで、まず倍波で共振制御に持ち込み、その後、基本波の共振に切り替える方法が提案されている(倍波ロック)また、日本等では、FP共振器の透過光の強度信号を平方根演算することで、疑似線型信号を取得し、それを使って共振制御した後に、PDH法によって得た信号に切り替える、「オフセットロック」などが提案、実証されている。これに対し、我々は、発明されて20余年経過したPDH法の常識的な利用法から離れ、今まで、無価値、かつ好ましくないと思われていた利用法に着目すること(Near Q-Phase demodulation(NQD)、およびOdd-Harmonics Demodulation (OHD)と命名)で、線形信号領域が狭いという常識を打ち破り、それを拡大することが可能であることを理論的に導き、その検証を、科学研究費補助金研究・基盤C(平成22年〜24年)の形で行い、理論を実証する成果を残した。さらにその研究の中で、NQD、OHDが、先のドップラーシフトのビートにすら鈍感になれるという他の手法にはない極めて特筆すべき利点を併せ持つことも理論的計算で示すことができた。

本研究では、この独創的なNQD, OHD信号取得におけるビート攪乱耐性が、第三世代重力波望遠鏡で予想され50ミリ秒程度の光滞在時間のFP共振器の共振導入制御においても有効であることを、第二世代重力波望遠鏡プロトタイプである基線長100メートルのCLIO(東大宇宙線研所有の研究施設)の光学系を改造し、この光滞在時間50ミリ秒程度のFP共振器を構築し、それに適用することで実証する。

宇宙線研共同利用研究(上記研究関連以外)

2018年度
神岡坑内における精密地球物理観測と地殻活動のモデリング 新谷 昌人 他
重力波検出器用大型鏡の絶対形状計測に関する研究 8 尾藤 洋一 他
超狭線幅光源のための光共振器の開発 井戸 哲也 他
2017年度
神岡坑内における精密地球物理観測と地殻活動のモデリング 新谷 昌人 他
重力波検出器用大型鏡の絶対形状計測に関する研究 7 尾藤 洋一 他
超狭線幅光源のための光共振器の開発 井戸 哲也 他
2016年度
坑内地球物理観測でとらえる水と雪のダイナミクス(IV) 今西 祐一, 新谷 昌人, 高森 昭光(東大地震研), 大橋 正健, 三代木 伸二, 内山 隆,(宇宙線研) 福田 洋一, 風間 卓仁, 川崎 一朗, 森井 亙, 加納 靖之(京都大学), 田村 良明, 寺家 孝明(天文台), 池田 博(筑波大学), 名和 一成(産総研)
重力波検出器用大型鏡の絶対形状計測に関する研究 6 尾藤 洋一 他
超狭線幅光源のための光共振器の開発(IV) 井戸 哲也, 蜂須英和, 藤枝美穂, 長野重夫, 熊谷基弘, 石島博, 野上朝彦(情報通信研究機構), 三代木伸二, 助教・内山隆, 大橋正健(宇宙線研)
2015年度
坑内地球物理観測でとらえる水と雪のダイナミクス(III) 今西 祐一, 新谷 昌人, 高森 昭光(東大地震研), 大橋 正健, 三代木 伸二, 内山 隆,(宇宙線研) 福田 洋一, 風間 卓仁, 川崎 一朗, 森井 亙, 加納 靖之(京都大学), 田村 良明, 寺家 孝明(天文台), 池田 博(筑波大学), 名和 一成(産総研)
重力波検出器用大型鏡の絶対形状計測に関する研究 5 高辻 利之 他
超狭線幅光源のための光共振器の開発(III) 井戸 哲也, 蜂須英和, 藤枝美穂, 長野重夫, 熊谷基弘, 石島博, 野上朝彦(情報通信研究機構), 三代木伸二, 助教・内山隆, 大橋正健(宇宙線研)
2014年度
坑内地球物理観測でとらえる水と雪のダイナミクス(II) 今西 祐一, 新谷 昌人, 高森 昭光(東大地震研), 大橋 正健, 三代木 伸二, 内山 隆,(宇宙線研) 福田 洋一, 風間 卓仁, 川崎 一朗, 森井 亙, 加納 靖之(京都大学), 田村 良明, 寺家 孝明(天文台), 池田 博(筑波大学), 名和 一成(産総研)
重力波検出器用大型鏡の絶対形状計測に関する研究 4 高辻 利之 他
超狭線幅光源のための光共振器の開発(II) 井戸 哲也, 蜂須英和, 藤枝美穂, 長野重夫, 熊谷基弘, 石島博, 野上朝彦(情報通信研究機構), 三代木伸二, 助教・内山隆, 大橋正健(宇宙線研)
2013年度
坑内地球物理観測でとらえる水と雪のダイナミクス 今西 祐一, 新谷 昌人, 高森 昭光(東大地震研), 大橋 正健, 三代木 伸二, 内山 隆,(宇宙線研) 福田 洋一, 風間 卓仁, 川崎 一朗, 森井 亙, 加納 靖之(京都大学), 田村 良明, 寺家 孝明(天文台), 池田 博(筑波大学), 名和 一成(産総研)
重力波検出器用大型鏡の絶対形状計測に関する研究 3 高辻 利之 他
超狭線幅光源のための光共振器の開発 井戸 哲也, 蜂須英和, 藤枝美穂, 長野重夫, 熊谷基弘, 石島博, 野上朝彦(情報通信研究機構), 三代木伸二, 助教・内山隆, 大橋正健(宇宙線研)
2012年度
レーザー伸縮計と超伝導重力計の同時観測による地球の固有振動の研究 田村良明, 寺家 孝明(天文台), 今西 祐一, 新谷 昌人, 高森 昭光(東大地震研), 大橋 正健, 三代木 伸二, 内山 隆,(宇宙線研) 福田 洋一, 風間 卓仁, 川崎 一朗, 森井 亙, 加納 靖之(京都大学), 池田 博(筑波大学), 名和 一成(産総研)
超狭線幅光源のための光共振器の開発 井戸 哲也, 蜂須英和, 藤枝美穂, 長野重夫, 熊谷基弘, 石島博, 野上朝彦(情報通信研究機構), 三代木伸二, 助教・内山隆, 大橋正健(宇宙線研)
重力波検出器用大型鏡の絶対形状計測に関する研究 2 高辻 利之 他
2011年度
レーザー伸縮計と超伝導重力計の同時観測による地球の固有振動の研究 田村良明, 寺家 孝明(天文台), 今西 祐一, 新谷 昌人, 高森 昭光(東大地震研), 大橋 正健, 三代木 伸二, 内山 隆,(宇宙線研) 福田 洋一, 風間 卓仁, 川崎 一朗, 森井 亙, 加納 靖之(京都大学), 池田 博(筑波大学), 名和 一成(産総研)
超狭線幅光源のための光共振器の開発 井戸 哲也, 蜂須英和, 藤枝美穂, 長野重夫, 熊谷基弘, 石島博, 野上朝彦(情報通信研究機構), 三代木伸二, 助教・内山隆, 大橋正健(宇宙線研)
2010年度
レーザー伸縮計と超伝導重力計の同時観測による地球の固有振動の研究 田村良明, 花田英夫(国立天文台地球回転研究系),川崎一朗 助教・森井 亙(京都大学防災研究所),福田洋一, 東 敏博, 由井智志(京都大学大学院理学研究科),新谷昌人, 高森昭光,堀 輝人(東京大学地震研究所),大橋正健, 内山隆, 三代木伸二(東京大学宇宙線研究所), 今西祐一(東京大学海洋研究所), 池田 博(筑波大学研究基盤総合センター), 名和一成(産業総合研究所)
2009年度
レーザー伸縮計と超伝導重力計の同時観測による地球の固有振動の研究 田村良明, 花田英夫(国立天文台地球回転研究系),川崎一朗 助教・森井 亙(京都大学防災研究所),福田洋一, 東 敏博, 由井智志(京都大学大学院理学研究科),新谷昌人, 高森昭光,堀 輝人(東京大学地震研究所),大橋正健, 内山隆, 三代木伸二(東京大学宇宙線研究所), 今西祐一(東京大学海洋研究所), 池田 博(筑波大学研究基盤総合センター), 名和一成(産業総合研究所)
2008年度
レーザー伸縮計と超伝導重力計の同時観測による地球の固有振動の研究 田村良明, 花田英夫(国立天文台地球回転研究系),川崎一朗 助教・森井 亙(京都大学防災研究所),福田洋一, 東 敏博, 由井智志(京都大学大学院理学研究科),新谷昌人, 高森昭光,堀 輝人(東京大学地震研究所),大橋正健, 内山隆, 三代木伸二(東京大学宇宙線研究所), 今西祐一(東京大学海洋研究所), 池田 博(筑波大学研究基盤総合センター), 名和一成(産業総合研究所)
2007年度


大学院生の研究テーマ

中野君の研究テーマ

KAGRA安定化入射光学系の構築

小野君の研究テーマ

田中(宏)君の研究テーマ

宮本君の研究テーマ

低温鏡防振装置の開発

長野君の研究テーマ

三代君の研究テーマ

神岡1.5km地殻歪み計によるKAGRAサイトの地殻特性の解明

長谷川君の研究テーマ

低温鏡への分子吸着過程の解明とその除去方法の開発

桐井君の研究テーマ

山田君の研究テーマ

低温懸架装置用ヒートリンク防振システムの開発

Hsieh Bin-Hua君の研究テーマ

Photon Calibratorの開発

山本君の研究テーマ

The Application of Hamiltonian Monte Carlo to GW parameter estimation

神津君の研究テーマ

Type-B鏡防振装置のクロスカップリング極小化実験

飯田君の研究テーマ

新井君の研究テーマ

福永君の研究テーマ

荒井君の研究テーマ

機械学習を利用した重力波信号解析

大柿君の研究テーマ

KAGRAの重力波信号校正システムの開発

田中(大)君の研究テーマ

田中(健)君の研究テーマ

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