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重力波と干渉計型検出器
山元一広、ちんたん
東京大学宇宙線研究所
千葉県夢チャレンジ体験スクール
2013年8月20日 @東京大学柏キャンパス第２総合研究棟
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Contents
1. 重力波
2. 干渉計型検出器
3. 干渉計
この後実際に干渉計に触れる
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1.重力波
重力とは何か ?
全てのものはお互いに引きつけあう
例えば地球と地球の上にあるもの
手を放すと物は落ちる
ニュートンの法則
アイザックニュートン (ウィキペディア英語版)
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1.重力波
重力とは何か ?
1915年アルバートアインシュタイン : 一般相対性理論
“重力は時空（時間と空間）の曲がりである。
物体によって時空は曲がり、その中を進む
物体の軌道が曲がる。”
安東正樹重力波望遠鏡KAGRAで見る新しい宇宙の姿
（東大物理学教室談話会 2013年5月31日）
アルバートアインシュタイン (ウィキペディア英語版)
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1.重力波
重力波とは何か ?
1916年アルバートアインシュタイン : 重力波
“重力（時空の曲がり）の源となる物体が
激しい運動などをすると時空のさざなみ（重力波）
が光と同じ速さで伝わっていく。”
安東正樹重力波望遠鏡KAGRAで見る新しい宇宙の姿
（東大物理学教室談話会 2013年5月31日）
アルバートアインシュタイン (ウィキペディア英語版)
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1.重力波
重力波とは何か
重力波が画面の垂直方向から来ると….
http://spacefiles.blogspot.com
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1.重力波
重力波を検出する意義
（１）物理的な意義：一般相対性理論の検証
一般相対論による予言で唯一検証されていないもの
“アインシュタインからの最後の宿題”
（２）天文学的な意義：重力波天文学の創生
重力波から星や宇宙に関する情報を得る
発生後吸収や散乱されずに地球にやってくる
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1.重力波
（１）物理的な意義：一般相対性理論の検証
一般相対論による予言で唯一検証されていないもの
“アインシュタインからの最後の宿題”
スイス、ベルンのアインシュタイン博物館の
一般相対性理論の説明より
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1.重力波
（２）天文学的な意義：重力波天文学の創生
安東正樹重力波望遠鏡KAGRAで見る新しい宇宙の姿
（東大物理学教室談話会 2013年5月31日）
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1.重力波
（２）天文学的な意義：重力波天文学の創生
安東正樹重力波望遠鏡KAGRAで見る新しい宇宙の姿
（東大物理学教室談話会 2013年5月31日）
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1.重力波
未だ重力波直接検出は成功していない
散乱や吸収されない、つまり検出しにくい
間接的な証拠
中性子星連星：非常に重くかつ星としてはコンパクト（10km程度）
な２つの星が重心の周りを回転
重力波を放出して一回転に要する時間（周期）が
変わる
観測された周期変化が一般相対論の予言と一致
安東正樹重力波望遠鏡KAGRAで見る新しい宇宙の姿
（東大物理学教室談話会 2013年5月31日）
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1.重力波
周期の変化の観測と計算値の比較
J.M. Weisberg and J.H. Taylor,
ASP Conference Series, 328 (2005) 25
(arXiv:astro-ph/0407149).
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1.重力波
1993年度ノーベル物理学賞
ノーベル財団のウェブ
直接検出目指し（次のノーベル賞？）世界各地で検出器を建設開発中
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2. 干渉計型重力波検出器
直接検出目指して：方法はいくつかあるが、干渉計が主流
安東正樹重力波望遠鏡KAGRAで見る新しい宇宙の姿
（東大物理学教室談話会 2013年5月31日）
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2.干渉計型重力波検出器
どのくらい大変？
安東正樹重力波望遠鏡KAGRAで見る新しい宇宙の姿
（東大物理学教室談話会 2013年5月31日）
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2.干渉計型重力波検出器
第１世代：検出できず
第２世代：初検出目指して
建設開発が進行中
第３世代：本格的な重力波
天文学が花開く
安東正樹重力波望遠鏡KAGRAで見る新しい宇宙の姿
（東大物理学教室談話会 2013年5月31日）
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2.干渉計型重力波検出器
（２）天文学的な意義：重力波天文学の創生
安東正樹重力波望遠鏡KAGRAで見る新しい宇宙の姿
（東大物理学教室談話会 2013年5月31日）
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2.干渉計型重力波検出器
（２）天文学的な意義：重力波天文学の創生
安東正樹重力波望遠鏡KAGRAで見る新しい宇宙の姿
（東大物理学教室談話会 2013年5月31日）
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2.干渉計型重力波検出器
第２世代：開発中
安東正樹重力波望遠鏡KAGRAで見る新しい宇宙の姿
（東大物理学教室談話会 2013年5月31日）
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2.干渉計型重力波検出器
日本では…
安東正樹重力波望遠鏡KAGRAで見る新しい宇宙の姿
（東大物理学教室談話会 2013年5月31日）
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2.干渉計型重力波検出器
KAGRA
岐阜県の
神岡鉱山内に
建設中
地面振動が
小さい
（都市近郊の
1/100）
地下にkm
スケールの
干渉計を建設する
のは初
安東正樹重力波望遠鏡KAGRAで見る新しい宇宙の姿
（東大物理学教室談話会 2013年5月31日）
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2.干渉計型重力波検出器
神岡鉱山
カミオカンデや
スーパーカミオカンデで
有名
カミオカンデのリーダー
小柴昌俊：2002年度
ノーベル物理学賞
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2.干渉計型重力波検出器
トンネル掘削中
安東正樹重力波望遠鏡KAGRAで見る新しい宇宙の姿
（東大物理学教室談話会 2013年5月31日）
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2.干渉計型重力波検出器
トンネル掘削中（体積換算で半分完了）
安東正樹重力波望遠鏡KAGRAで見る新しい宇宙の姿
（東大物理学教室談話会 2013年5月31日）
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3. 干渉計
直接検出目指して：方法はいくつかあるが、干渉計が主流
安東正樹重力波望遠鏡KAGRAで見る新しい宇宙の姿
（東大物理学教室談話会 2013年5月31日）
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3.干渉計
マイケルソン干渉計
鏡
ビームスプリッター
レーザー光源
鏡
光検出器
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3.干渉計
（１）レーザー光源から光が出る
鏡
ビームスプリッター
レーザー光源
鏡
光検出器
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3.干渉計
（２）ビームスプリッターで分けられてそれぞれの腕を進む
鏡
ビームスプリッター
レーザー光源
鏡
光検出器
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3.干渉計
（３）鏡で反射されて戻る
鏡
ビームスプリッター
レーザー光源
鏡
光検出器
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3.干渉計
（４）ビームスプリッタで一部反射、一部透過ののち光検出器もしくは
光源へ
鏡
ビームスプリッター
レーザー光源
鏡
光検出器
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3.干渉計
特に光検出器に注目すると画面上からの光はビームスプリッターを
透過、右からの光は反射されてくる。
鏡
ビームスプリッター
レーザー光源
鏡
光検出器
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3.干渉計
（５）光検出器から光の強さに比例した電流が出る。
鏡
ビームスプリッター
レーザー光源
鏡
光検出器
電流
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3.干渉計
光検出器に来る光
（１）ビームスプリッターで反射され、
画面上の鏡で反射され、
ビームスプリッターを透過した光
（２）ビームスプリッターを透過し、
画面右の鏡で反射され、
ビームスプリッターで反射された光
光検出器に来る光
（１）と（２）の足し算
光の干渉
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3.干渉計
光検出器に来る光
（１）と（２）の足し算
光の干渉
鏡が動くと…
光のタイミングが
ずれて光の量が
変わる
一波長
（1/1000ミリメートル！）
の鏡の動きも見逃さない。
http://www.miyazakigijutsu.com/series4/densi0713.html
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3.干渉計
マイケルソン干渉計：腕の長さの差を精密に測定する装置
両方の鏡が同じ方向にずれても検出できない。
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3.干渉計
重力波とは何か
重力波が画面の垂直方向から来ると….
マイケルソン干渉計の腕の長さの差が変わる。
マイケルソン干渉計で重力波を検出できる！
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3.干渉計
マイケルソン干渉計をさわってみよう！
注意事項
（１）光をのぞきこまない。
（２）光を反射する鏡、ビームスプリッターにはさわらない。
（Ｉ）どういう状態だと干渉するのか？
（ＩＩ）重力波の代わりに手で鏡を動かすと？
（ＩＩＩ）重力波の代わりに鏡を音楽にのせて動かすと？
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おわり
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