Development of displacement-noise-free neutron/atom interferometer for detecting primordial gravitational waves on earth

研制用于探测地球原初引力波的无位移噪声中子/原子干涉仪

• 批准号: 19K21875
• 负责人: 川村 静児
• 金额: $ 4.08万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-06-28 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19K21875/
• 关键词: 重力波; 変位雑音フリー干渉計; 中性子干渉計; マッハツェンダー干渉計; J-PARC; 原始重力波; 変位雑音キャンセル; 原子干渉計

本研究の目的は、宇宙誕生直後のインフレーション時に生成された原始重力波を地上において検出するための全く新しい手法を開発することである。その方法としては、以前に研究代表者らが考案した変位雑音キャンセル法に、中性子干渉計を組み合わせて、低周波帯において感度を著しく改善することが可能であるかどうかを理論的・実験的に見極める事である。2022年度は、理論面では、まず、単一のマッハツェンダー干渉計に、異なる速度をもつ４群の中性子を片側から入射する方式について、干渉計の重力波に対する周波数応答やショットノイズによって制限される感度についての詳細な検討を行った。次に、マッハツェンダー干渉計の出口のビームスプリッターを鏡で置き換えたサニヤック型干渉計に、異なる速度をもつ４群の中性子を入射する方式についての検討を行った。その結果、ショットノイズによって制限される感度は、予想通りほぼ２倍に改善された。実験面では、変位雑音フリー中性子干渉計のJ-PARCでの原理実証実験のために、重力波信号や鏡の変位信号を模擬するための中性子の位相のアクチュエーターのプロトタイプの詳細設計を行い、そのプロトタイプを製作した。アクチュエーターは、ジグザグタイプのアルミ板の角度をピエゾ素子で上限300 Hzの周波数で振動させる装置であり、６つのユニットから構成される。今年度は、プロトタイプとして１つのユニットを製作し、ピエゾ素子自体の効率や、そのピエゾ素子によって振動するジグザグのアルミ板の振動特性などを測定した。結果として、振動の振幅や周波数特性が原理検証実験のための設計に沿ったものであることを確認した。

这项研究的目的是开发一种全新的方法来探测地面上的原始引力波，这些引力波是在宇宙诞生后的暴胀过程中产生的。该方法涉及将中子干涉仪与主要研究人员设计的位移噪声消除方法相结合，并从理论上和实验上检验是否有可能显着提高低频段的灵敏度。 2022年，我们将首先从理论角度研究从一侧向单个马赫-曾德干涉仪注入四组不同速度的中子的方法，该方法受到干涉仪对引力波和散粒噪声的频率响应的限制。对敏感性进行了详细的研究。接下来，我们研究了一种将四组不同速度的中子入射到萨格纳克干涉仪上的方法，其中将马赫-曾德干涉仪出口处的分束器替换为镜子。结果，受散粒噪声限制的灵敏度几乎比预期提高了一倍。在实验方面，我们对原型中子相位致动器进行了详细设计，以模拟引力波信号和镜面位移信号，为 J-PARC 的原理验证实验，为位移无噪声中子干涉仪制作了原型。该执行器是一种使用压电元件以高达 300 Hz 的频率振动锯齿形铝板角度的装置，由六个单元组成。今年，我们生产了一个单元作为原型，并测量了压电元件本身的效率以及由压电元件振动的锯齿形铝板的振动特性。结果表明，振动幅值和频率特性符合原理验证实验设计。

项目成果

Neutron displacement noise-free interferometer for gravitational-wave detection

用于引力波探测的中子位移无噪声干涉仪

• DOI: 10.1103/physrevd.105.124017
• 发表时间: 2022
• 期刊: Physical Review D
• 影响因子: 5
• 作者: Nishizawa, Atsushi;Iwaguchi, Shoki;Chen, Yanbei;Morimoto, Taigen;Ishikawa, Tomohiro;Wu, Bin;Watanabe, Izumi;Kawasaki, Yuki;Shimizu, Ryuma;Shimizu, Hirohiko
• 通讯作者: Shimizu, Hirohiko

Displacement-noise-free neutron interferometer for gravitational wave detection using a single Mach-Zehnder configuration

使用单一马赫-曾德配置进行引力波探测的无位移噪声中子干涉仪

• DOI: 10.1016/j.physleta.2022.128150
• 发表时间: 2022
• 期刊: Physics Letters A
• 影响因子: 2.6
• 作者: Iwaguchi, Shoki;Nishizawa, Atsushi;Chen, Yanbei;Kawasaki, Yuki;Kitaguchi, Masaaki;Morimoto, Taigen;Ishikawa, Tomohiro;Wu, Bin;Watanabe, Izumi;Shimizu, Ryuma
• 通讯作者: Shimizu, Ryuma

Displacement-Noise-Free Interferometeric Gravitational-Wave Detector Using Unidirectional Neutrons with Four Speeds

• DOI: 10.1016/j.physleta.2022.128581
• 发表时间: 2022-11
• 期刊: SSRN Electronic Journal
• 作者: S. Iwaguchi;A. Nishizawa;Yanbei Chen;Yuki Kawasaki;Tomohiro Ishikawa;M. Kitaguchi;Y. Yamagata;Bin Wu;Ryuma Shimizu;Kurumi Umemura;K. Tsuji;H. Shimizu;Y. Michimura;S. Kawamura

重力波検出のための変位雑音フリー中性子干渉計の開発(3)

引力波探测位移无噪声中子干涉仪研制（3）

• 发表时间: 2020
• 作者: 森本泰玄;内藤丈雄;西澤篤志;清水裕彦;北口雅暁;山田梨加;渡辺泉実;黒柳幸子;石川智浩;岩口翔輝;川村静児
• 通讯作者: 川村静児

重力波検出のための変位雑音フリー中性子干渉計の開発（1）

引力波探测位移无噪声中子干涉仪研制（一）

• 发表时间: 2020
• 作者: 川原遼馬;谷口祐紀;河上司;Y. A. Alaoui;荒川智紀;乾皓人;島本雄介;高阪勇輔;戸川欣彦;小林研介;新見康洋;Kensuke Homma;内藤丈雄，西澤篤志，清水裕彦，北口雅暁，黒柳幸子，山田梨加，森本泰玄，渡辺泉実，川村静児
• 通讯作者: 内藤丈雄，西澤篤志，清水裕彦，北口雅暁，黒柳幸子，山田梨加，森本泰玄，渡辺泉実，川村静児