LCGT 詳細設計と R&D

大橋 正健東大宇宙線研

LCGT の基本設計 - これまで -

– 感度は主に量子雑音 ( 散射雑音・輻射圧雑音 ) で決ま

る 基線長 3km

レーザー光源 100Wリサイクリングゲイン 50腕 j 共振器フィネス 100 (fcav=250Hz)

サファイアミラー 50kg, Q=108, 30Kコーティングの熱雑音を考慮懸架振り子 1Hz, Q=2x108, 10KSAS による防振系

干渉計方式と量子雑音 • 様々な干渉計方式

• DRMI, SR, RFPMI, RSE, ExRSE

• 量子雑音 ( 散射雑音・輻射圧雑音 ) は、–腕パワーと信号帯域幅で決まる–干渉計方式には拠らない

( 水野の推論、 A. Buonanno の計算　　　　 detuning しない場合 )

• 干渉計方式の決定材料–実現可能な腕パワーと信号帯域幅–その他の要因

• 基材での発熱• 制御の容易さ

腕パワー・信号帯域幅と量子雑音

• 量子雑音 ( 散射雑音・輻射圧雑音 ) は、腕パワーと信号帯域幅で決まる

armsigsig

arm

armsigarm

sig

sigsig

Pff

PPfP

fffff

輻射圧雑音

散射雑音1

101 102 103 104

10–24

10–22

No

ise

lev

el

[1

/Hz1/

2 ]

Frequency [Hz]

Cavity power x

10

fcutoff

fcutoffSignal b

and 1/10

101 102 103 104

10–24

10–22

No

ise

lev

el

[1

/Hz1/

2 ]

Frequency [Hz]

Cavity power x10

fcutoff

fcutoff

Signal band 1/10

散射雑音

輻射圧雑音

設計の基本方針・境界条件 • 基本方針

– 腕パワーと信号帯域幅1.4 Mo の連星合体に対する感度を基準に決定• SNR=10 で、 200Mpc のイベントを捕らえられること• 可能ならさらに遠くまで見れるよう最適化すること

• 境界条件 (20K への冷却能力 1W)– 基材内での発熱

• 熱吸収 ( サファイア ) 20ppm/cm• 基材の厚さ 18cm

– コーティングでの発熱• 熱吸収 0.1ppm

BS 入射 < 2800W 干渉計入射パワー 100W なら PRG < 28

EM 反射パワー < 10MW

以前のデザインの PRG=50 は不可能 → RSE, ExRSE が現実的

連星合体に対する SNR

• 連星合体を SNR=10 で検出できる距離• 1.4Mo イベントに対して、 244 Mpc

10–1 100 101 102101

102

103

Det

ecta

ble

dis

tan

ce

[Mp

c]

Mass of a star [Mo]

Old design

Optimized design

最適化後の感度曲線 • 現実的なパラメータ範囲でほぼ最適化

• 腕内パワー 830 kW, 信号帯域幅 200 Hz

100 101 102 103 104

10–24

10–22

10–20

10–18

No

ise

lev

el

[1

/Hz1/

2 ]

Frequency [Hz]

Shot noise

Mirror thermal

Seism

ic no

ise

Suspension thermal

Radiation pressure

TAMAnoise level

Parm=830kW fsig=203 HzLCGT noise budget 腕共振器フィネス : 1250 PRG : 10 SBG : 10

68.0

72.0

99999.0

995.0

SR

R

R

R

R

E

F

100 101 102 103 104

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10–22

10–20

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2 ]

Frequency [Hz]

Shot noise

Mirror thermal

Seism

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Suspension thermal

Radiation pressure

TAMAnoise level

Parm=830kW fsig=203 HzLCGT noise budget

Old design

連星合体に対する SNR

• 連星合体を SNR=10 で検出できる距離• 1.4Mo イベントに対して、 244 Mpc

10–1 100 101 102101

102

103

Det

ecta

ble

dis

tan

ce

[Mp

c]

Mass of a star [Mo]

Old design

Optimized design

目標感度を達成できるか？

目標感度が達成されれば重力波をとらえられるのか？

同位置の 2 台でFirst detection は

可能か？

200Mpc で 0.1events/year ？

LISA との関係は？

Advanced LIGO とは？

Advanced LIGO Development Team

GroupSeismic Isolation (SEI)

Suspension(SUS)

Core Optics(COC)

Input Optics(IO)

Pre-Stab.Laser (PSL)

Aux. Optics(AOS)

Ifo Sense &Control (ISC)

SystemsEngineering

CIT requirements

requirements; Fiber & bonding research; final design; TNI noise measure

requirements; leads design; coordinates materials develop.; polishing; inhomogeneity compensation; metrology

requirements; intensity stabilization feedback to PSL

requirements; engin support & epics integration; performance eval.

requirements; photon actuation;

requirements; electronics; system identification; 40m experiment/controls testbed

requirements; standards; extend E2E simulation; system trade studies; optical layout; FFT studies

MITrequirements; LASTI prototype testing

requirements; measure coating effect on Q; LASTI prototype testing requirements

requirements; integrated IO/PSL system test

requirements; LASTI prototype & IO/PSL integrated sys test

requirements; active thermal compensation

requirements; system trade studies; bench top DC read-out exp.; PD testing; ISC design lead

requirements; define noise budget, define shared signal port power allocation, etc.

LLO engineering support

LHO

Stanford/HP Melody code

ACIGA high power system testing injection-locked, stable/unstable resonator

cavity test of active thermal compensation

GEO/Glasgow

welding; coating effect on mech Q; local control studies; triple performance in GEO-600; prelim design lead

10m signal recycling exp.; lock acq. & sensing matrix guidance

GEO/Hannover

Rod pumped system; leads PSL system design

IAP in-situ figure metrologyhigh power Faraday isolator development

PS Bench code

Iowa coating mech modeling

LSU MIMO control; SEI design lead

transient (excess) noise measure; mode coupling study & diagnostics

MSUchem & flame polishing effect on Q; surface charge measure

Stanfordhydraulic pre-isolation; ETF controls testbed

welding, bonding & coating effect on mech Q; bonding strength

low absorption sapphire development

MOPA system with LIGO 20W MO back-illuminated InGaAs detectors

Southern Utrace element identification; absorption

SMA/Lyonhigh mech Q, low absorption coatings

Syracusedirect loss measure; effect of polishing, coating, bonding

UFLIO system design; high power component tests

スーパーカミオカンデカムランド

LISM(20m) CLIO

CLIO 建設サイト（神岡鉱山内）

暗黒物質検出器