研究内容紹介 ‌

大型低温重力波望遠鏡KAGRA ‌

　KAGRA(LCGT)は岐阜県神岡の地下サイトに一辺3km、全長6kmのL字型巨大レーザー干渉計を建設し、宇宙からの重力波を検出しようとするプロジェクトです。神岡鉱山地下の静寂な環境の中に建設することで地面振動による雑音を軽減し、鏡を20Kの低温に冷やすことで熱雑音の低減を図ります。

　安東研究室ではKAGRA干渉計の設計や低温接合などのR&D作業に関わっています。
　KAGRAについて詳しくはKAGRA公式サイトをご覧ください。

スペース重力波アンテナDECIGO ‌

　DECIGOは基線長1000kmのファブリペロー型レーザー干渉計を宇宙空間に建設し、0.1Hzから10Hzの周波数帯を狙う計画です。地上検出器であるKAGRAの次の将来計画として推進されています。

　安東研究室は、DECIGOに向けた様々なR&Dに参加しています。
　DECIGOについて詳しくはDECIGO公式サイトをご覧ください。

ねじれ型重力波検出器 ‌

　TOBAとは、2本の棒状のテストマス（重力波の影響を受けるもの）を持った、低周波数帯に良い感度を持つ重力波検出器です。
　KAGRAなどのレーザー干渉計型重力波検出器では、干渉計の2つの腕の長さの変化を読み取ることで重力波を検出しますが、TOBAでは、重力波からの潮汐力によって2本の棒が差動回転するのを読み取ることで重力波を検出します。
　TOBAの大きな特徴は、地上においてもDECIGOのような宇宙重力波望遠鏡と同じ低周波数帯に感度を持つ点です。地上では重力の束縛があるため、振り子の共振周波数以上でないとテストマスが自由質点として振る舞えず、重力波に感度を持ちません。KAGRAでは並進方向の変動を見るため、その共振周波数は1Hz付近となり、約10Hz以上でしか重力波に対して感度を持ちませんが、TOBAでモニターするねじれ方向の共振周波数はサブmHzと低周波なので、0.1～1Hzといった低周波数帯に感度を持つ事ができます。
　このように様々な周波数帯に感度をもつ重力波検出器をいち早く開発し、高周波数帯に感度を持つKAGRAなどでは中性子連星合体や超新星爆発などを、低周波数帯に感度を持つTOBAではブラックホール連星合体や背景重力波などをとらえる事によって、我々の宇宙や銀河の謎が解明され、重力波天文学の幅を大きく広げることができると期待されています。

　現在は、Phase-III TOBAとしてプロトタイプ3号機を開発しています。
Phase-III TOBAでは、2本の振り子や能動防振装置、低温システムなどを導入し、感度向上を目指しています。

機械光学系における巨視的量子現象 ‌

　質量の大きな物体は重ねあわせ状態となりうるのでしょうか。プランク質量以上のスケールで量子力学的な重ねあわせ状態が観測されたことはありませんが、これは外部環境との相互作用に起因するものなのでしょうか、それとも未知の量子デコヒーレンス(例えば質量由来の重力デコヒーレンスなど)が存在するためでしょうか。このような問いに答えるべく、私たちはこれまでにない実験構成を用いて、鏡とレーザー光との相互作用を利用した機械光学系実験に取り組んでいます。究極的には、mgスケールの鏡の重ねあわせ状態を実現し、その振る舞いを観測することを目指しています。

ねじれ振り子型実験 ‌

　現在、プランクスケール以上の振動子においてこの"量子輻射圧揺らぎ"を観測した例はありません。安東研究室ではねじれ振り子の両端で光共振器を構築しその回転モードを測定することで、世界初の巨視系における輻射圧揺らぎ観測を目指しています。ねじれ振り子には、低い共振周波数による低熱雑音性、古典的な雑音は並進モードのみに寄与し、回転モードには現れないといった大きな強みがあります。

光学浮上型実験 ‌

　レーザー干渉計による巨視的量子力学の検証に向けては、鏡の機械的懸架系から導入される熱雑音(=外部環境との相互作用)が大きな問題となっています。そこで、この問題を回避する手法として、機械的方法ではなく、光の輻射圧のみを用いて鏡を支持する光学浮上が提案されています。

　安東研究室では、1つの鏡を上下から2つのFabry-Perot共振器ではさむサンドウィッチ型光学浮上という新しい光学浮上の構成を提案しました。サンドウィッチ型構成では、鏡に入射する光を2本にできるため、これまで提案されていた手法に比べシンプルな構成で鏡の浮上を実現できます。現在は、この構成によるmgスケールの鏡の安定浮上の実験的実証に向けた研究を行っており、最終的にはmgスケールの鏡の量子性の検証やレーザー干渉計の量子雑音低減技術の実証を目指しています。

光速不変性の検証実験 ‌