重力波天文学 - ICRR: 東京大学宇宙線研究所

supervisor:川村 静児
Teaching Assistant:伊藤 洋介、宮本 昴拓
Experimenters:山田 智宏、松木場 亮喜、三崎
桐井 真、江戸 貴広
航、
1
2
3
4
5
6
目的
検出装置について
ミッドフリンジロックと制御系の精度評価
解析手法と実験の概要
結果
まとめ
 マイケルソン干渉計型重力波検出器を作る。
 検出器の動作をさせる。
 重力波を検出する。
ミラー
ピエゾ
ビームスプリッター
レーザー
検出器
A Schematic figure of an interferometric GW
detector: taken from [email protected] web page.
Pmax
P
干渉によって現れる右図
のような曲線から干渉の
良さであるコントラストC
を求める。
Pmin
ΔL
C=
Pmax−Pmin
×
Pmax+Pmin
100 [%]
ファンクションジェネレータを使って徐々に強い電圧をピエゾに加
えて振動を作る。
P
ΔL
ピエゾに与えた電圧の振幅Vppを読み取るとピエゾの効
率P nm/V (1Vあたりに何nmピエゾが動くのか)は、
P=
λ
2

で求めることができる。(λはレーザーの波長)
コントラスト
ピエゾ
1位
山田
64%
桐井
90 nm/V
2位
松木場
63%
松木場
71 nm/V
3位
三崎
62%
江戸
70 nm/V
4位
桐井
53%
三崎
58 nm/V
5位
江戸
44%
山田
42 nm/V
TA
27%
ピエゾの効率は固有のもので変えられないので、コントラストを上げるしか
ない。
 腕の長さをそろえる。
 できるだけミラーの面とレー
ザーの向きを垂直にする。
 レーザーの質を上げる。
検
出
器
以上のことに気を付けてもう少し大きな干渉計をセットした結果・・・
コントラスト
C=89 %
ミッドフリンジへの
ロック
干渉光の強度(V)は、理想的の状態において正弦
関数となっている
Mid fringe
微小な変化でも大きな信号として取り出
せる
具体的な方法
pzt
Monitor
Laser
PD
+


-
1
= ( +  )
2
10Hz
ローパスフィルター/アン
プ
ループゲイ
ン
干渉計
0 [m]
 [m]
-
 = 

 [V]
 [m]

P
ピエゾ効
率
 [V]
E
ローパスフィルター/アン
プ
 =  0
0 =  − 
1
0 =

1 + 


=

1 + 
 ≫ 1のとき
 ~
各周波数でのループゲインの測
定
100
1
0.01
1.
2.
3.
4.
マイケルソン干渉計をつくり、ミッドフリンジにロック
時系列データをh(t)に直す
時系列データをフーリエ変換する
Matched Filter法によって中性子星連星重力波の波形との相
関を見る
1.
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4.
マイケルソン干渉計をつくり、ミッドフリンジにロック
時系列データをh(t)に直す
時系列データをフーリエ変換する
Matched Filter法によって中性子星連星重力波の波形との相
関を見る
1.
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4.
マイケルソン干渉計をつくり、ミッドフリンジにロック
時系列データをh(t)に直す
時系列データをフーリエ変換する
Matched Filter法によって中性子星連星重力波の波形との相
関を見る
PVPZT
h
armlength(0.195m)
測定周波数は100Hzから1kHz
ここからさらにh(t)になおす(詳細略)
h(t)
赤い信号は双方質量1.4M⦿の中性子星連星にともなう重力波信号
Robert E. Spero, Physics 3, 29 (2010)
1.
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3.
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マイケルソン干渉計をつくり、ミッドフリンジにロック
時系列データをh(t)に直す
時系列データをフーリエ変換する
Matched Filter法によって中性子星連星重力波の波形との相
関を見る
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4.
マイケルソン干渉計をつくり、ミッドフリンジにロック
時系列データをh(t)に直す
時系列データをフーリエ変換する
Matched Filter法によって中性子星連星重力波の波形との相
関を見る
理想的波形u(t)がわかっている時、検出器からの時系列データ
x(t)=s(t)+n(t)(sは探す信号,nはノイズでu(t)は正規化されたs(t))
として、内積
¥
~
~
x( f )u*( f ;t0 = 0) 2 p ift0
(x, u) = 2 ò
e
df
Sn (| f |)
-¥
を用いて、種々のt0について計算したこの値の大きさにより相関を見
積もる(以降SNRまたはrhoと呼ぶ)。ここではt0として合体時刻をとる。
¥
~
~
x( f )u*( f ;t0 = 0) 2 p ift0
(x, u) = 2 ò
e
df
Sn (| f |)
-¥
ここ以上に信号が
来れば重力波検出
(かも)
このピーク
はもしや…?
データを時間反転して、相関のピークが消える(または著しく下がる)ことが重力波とし
て必要
ピーク消えて
ないじゃん
重力波、検
出されず
この辺りでともに1.4M⦿の中性
子星連星が起きていたことにな
る
CHANDRA - http://chandra.harvard.edu
h(Hz-1/2)
とったデータのパ
ワースペクトル密度
ともに質量1.4M⦿
の中性子星連星
の信号
・検出感度を良くするために
コントラストを上げる
ノイズを下げる
ことが重要だとわかった。
・今回の実験では、重力波を検出することはできなかった。
検出するためには、装置の大型化や地面振動の除去などが必要である。
KAGRA ,DECIGO