レーザー干渉計を用いた変位雑音フリー重力波検出器の開発

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2004年に提案されたまったく新しい仕組みを持つレーザー干渉計型重力波検出器、変位雑音・周波数雑音フリー重力波検出器(displacement-and frequency-noise-free interferometer,DFI)Iは、複数の干渉計の出力信号を組み合わせることにより、原理的には光学要素の変位とレーザー周波数雑音にはまったく感度がなく、重力波にのみ感度を持つという画期的な重力波検出器である。本研究で開発されたDFIの光学設計は、Y.Chenらによって2006年に提案された、マッハ・ツェンダー型干渉計を4台組み合わされたものである。DFI信号はこの4台のマッハ・ツェンダー干渉計からの4つの出力信号を、変位雑音成分はすべての周波数で消え、一方重力波信号は生き残るように組み合わせる。本研究では、原理実験としてこの3次元の光学設計をもつDFIをテーブルトップで構築した。この光学設計では、ある組の干渉計のアライメントを調整すると、もう一組のアライメントがずれてしまうという問題がある。この問題を解決するために、本実験ではオプティカル・レバーを用いたアライメント法を開発した。アライメントがとれたら、変位雑音のキャンセルを確認するために、位相変調器でミラーとビームスプリッターによる位相変位をシミュレートした。信号演算後のDFI信号では、これらの変位雑音が最大2桁低減することが確認された。一方、重力波信号は、位相変調器を複数用い、さらにそれらの測定データに適切な位相遅延をつけて足し上げることにより再現された。信号演算後のDFI信号では、理論予測と一致した重力波信号成分が残ることが確認された。