第3世代レーザー干渉計重力波検出器へ向けた重力勾配雑音の相殺技術の実証実験

第三代激光干涉仪引力波探测器引力梯度噪声消除技术演示实验

基本信息

批准号：
21K18629
负责人：
佐藤修一
金额：
$ 4.08万
依托单位：
Hosei University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K18629/
关键词：
重力波

项目摘要

重力場変動による変位（加速度）信号を測定するためのDFI干渉計の設計および構築と予備実験を行なった．重力場変動による擾乱としての信号を観測することと併せて，最終的にはこれらを相殺することのできる光学系として，最もシンプルなDFIである双方向マッハツェンダー干渉計を採用することとした．同一の干渉計光学系に両方向からレーザーを入射することにより干渉計出力を2つ得ることができるが，鏡の変位の情報は両干渉計の出力に等しく現れるため，これらの信号を後処理で引き算することにより，鏡の変位情報（雑音）を消去することができる．一方で，本研究の目的は重力場変動による変位雑音を測定することであることから，DFIの変位雑音除去機能を地面振動など擾乱由来の変位雑音には適用しつつ，重力場変動由来の変位雑音には感度があるようなDFIの幾何学設計を採用した．併せて干渉計を光学素子全固定型モノリシック構造とし，地面振動による雑音効果を受けにくい構成とすることとした．これらの設計を反映したモノリシック型DFIを干渉計として構築し，干渉計として機能すること，および雑音感度の評価を行った．この結果，擾乱としての地面振動は3桁程度相殺できることが確認され，数Hz程度までは光のショットノイズで制限される感度を実現した．重力場変動を生成する機構としては回転ディスク型のアトラクタとその回転機構（モータ）についての検討を行なった．回転機構の発生する振動雑音が干渉計に支配的に現れないよう，回転機構と干渉計は別プラットフォームに設置し，かつ干渉計は能動防震系に設置するものとする．さらに振動由来の変位信号と，本研究の目的である重力場変動由来の変位（加速度）信号を区別するために，回転ディスク上の質量（アトラクタ）の配置を工夫することで異なる周波数での信号を印加することができるようなシステムとする．

我们设计并制作了DFI干涉仪来测量重力场波动引起的位移（加速度）信号，并进行了初步实验。除了将信号视为引力场涨落引起的干扰之外，我们还决定采用双向马赫曾德尔干涉仪（最简单的 DFI）作为最终可以消除这些干扰的光学系统。通过将激光从两个方向注入到同一干涉仪光学系统中可以获得两个干涉仪输出，但是由于反射镜位移的信息同样出现在两个干涉仪的输出中，因此需要对这些信号进行后处理，通过相减，可以消除镜子的位移信息（噪声）。另一方面，由于本研究的目的是测量由重力场波动引起的位移噪声，因此我们将DFI的位移噪声去除功能应用于由地面振动等干扰引起的位移噪声，并且还应用了由重力场波动引起的位移噪声。我们采用了对噪声敏感的 DFI 几何设计。此外，干涉仪采用整体结构，所有光学元件均固定，使其不易受到地面振动引起的噪声影响。反映这些设计的单片 DFI 被构建为干涉仪，并评估了其作为干涉仪的功能和噪声灵敏度。结果，确认作为干扰的地面振动可以被抵消约3个数量级，并且实现了受高达约几个Hz的光散粒噪声限制的灵敏度。作为产生引力场涨落的机构，我们研究了旋转圆盘型吸引子及其旋转机构（电机）。为了防止旋转机构产生的振动噪声主要出现在干涉仪上，旋转机构和干涉仪将安装在单独的平台上，干涉仪将安装在主动隔震系统中。此外，为了区分由振动产生的位移信号和由重力场涨落产生的位移（加速度）信号（这也是本研究的目的），我们设计了旋转盘上质量（吸引子）的布置，这使得信号系统设计得能够适用于不同的频率。