新しいガラス鏡のコーティングで宇宙への可能性を広げる

新しいガラス鏡のコーティングで宇宙への可能性を広げる物理
新しい鏡のコーティングにより、LIGOが次の稼働で探査できる空間の容積が増える©Caltech

LIGO1LIGOは1916年にアルベルト・アインシュタインが存在を提唱した重力波の検出のための大規模な物理学実験とその施設。は、2015年に2つのブラックホールが衝突して発生した重力波を画期的に検出して以来、欧州のパートナー施設であるVIRGO2一般相対性理論によって予測される重力波を検出するために設計された大型マイケルソン干渉計。とともに、時空間に波紋を広げる同様の宇宙の音を何十回も検出しています。

今後、全米科学財団が出資するLIGO観測所(ワシントン州ハンフォードとルイジアナ州リビングストン)の整備が進むにつれて、このような極端な宇宙現象がますます多く検出されるようになると予想されています。

これらの観測は、ブラックホールがどのように形成されるのか、宇宙の構成要素がどのようにして作られるのかといった、宇宙に関する基本的な謎の解明につながります。

高感度化のためには、観測装置の心臓部であるガラス鏡のコーティングが重要なポイントとなります。

40キログラムの鏡(2つのLIGO天文台の各検出器に4枚ずつある)には、ガラスを鏡に変える反射材が塗布されています。

この鏡は、通過する重力波を検出するレーザービームを反射します。

一般的に、鏡の反射率が高いほど、装置の感度は高くなりますが、問題があります。

鏡を反射させるためのコーティングは、装置内のバックグラウンドノイズの原因となり、目的の重力波信号を覆い隠してしまうのです。

LIGOチームの新しい研究では、酸化チタンと酸化ゲルマニウムを用いた新しいタイプのミラーコーティングについて説明し、LIGOの鏡のバックグラウンドノイズを2分の1に低減し、LIGOが探査できる空間の容積を8分の1に増やすことができるという概要を示しています。

カリフォルニア工科大学のLIGO上級研究員で、Physical Review Letters誌に掲載された論文の主執筆者であるGabriele Vajente氏は、「私たちは、現在可能な限界の材料を探していました。天文学的に大きなスケールの宇宙を研究する能力は、この非常に小さなミクロの空間で起こることに制限されています。」と語ります。

カリフォルニア工科大学のLIGO研究所のエグゼクティブ・ディレクターであるDavid Reitze氏は、「この新しいコーティングによって、重力波の検出率を週に1回から1日1回以上にまで高めることができると期待しています。」と述べています。

この研究は、カリフォルニア工科大学、コロラド州立大学、モントリオール大学、スタンフォード大学との共同研究であり、SLAC国立加速器研究所のシンクロトロン3円形加速器の一種。粒子の加速にあわせて、磁場と加速電場の周波数をコントロールする事によって、加速粒子の軌道半径を一定に保ちながら加速をおこなう。を利用して、コーティングの特性評価を行いました。

LIGOミラーのコーティングは、実際のミラーよりも小さく、扱いやすいガラスディスクに蒸着してテストされる。
写真のピンク色は、表面に蒸着された金属酸化物の薄層によるもの。
その後、ディスクは真空チャンバー内に置かれ、その機械的特性とエネルギー散逸が測定されます。
真空チャンバーの窓から計測システムを見たところ。
測定用真空チャンバー内部の様子。
チャンバー内にサンプルを設置
空気を排出する直前の真空チャンバーをクローズアップ。
チャンバーが閉じられ、ポンピングが開始されます。
すべての測定手順は数時間で完了し、完全に自動化されており、遠隔地からでも実験室のワークステーションからでも制御可能です。
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LIGOは、干渉計と呼ばれる検出器を使って時空の波紋を検出します。

この装置では、強力なレーザービームが2つに分けられ、それぞれのビームがL字型の大きな真空容器の片方のアームを通って、4km離れた鏡に向かって進みます。

鏡はレーザービームを反射させて、レーザービームの発生源に戻します。

重力波が通過すると、空間がほとんど気づかないほど(陽子の幅よりもはるかに小さい)引き伸ばされたり、圧迫されたりします。

この摂動により、2本のレーザー光が光源に到達するタイミングが変化します。

鏡自体の揺れや、鏡のコーティングに含まれる原子の微細な熱振動も、レーザー光の到達タイミングに影響を与え、重力波の信号を分離することが難しくなります。

「2つの異なる物質の間を光が通過するたびに、その光の一部が反射されます。これは、窓ガラスに自分の姿がかすかに映っているのと同じことなのです。異なる素材を何層にも重ねることで、それぞれの反射を強化し、鏡の反射率を99.999%にまで高めることができるのです。この研究で重要なのは、材料をよりよくテストするための新しい方法を開発したことです。以前は1週間近くかかっていた新素材の特性試験を、完全に自動化された8時間程度で行えるようになりました。試した材料の中にはうまくいかないものもありましたが、どのような特性が重要なのかを知ることができました。」とVajente氏は言います。

最終的には、酸化チタンと酸化ゲルマニウムを組み合わせたコーティング材が、最もエネルギーの散逸が少ないことを発見しました(熱振動の低減に相当)。

コロラド州立大学の教授で、LIGO科学コラボレーションのメンバーでもあるCarmen Menoni氏は、「ミラーコーティングの光学的品質と熱雑音の低減という厳しい要求に応えるために、製造プロセスを調整しました。」と語ります。

Menoni氏らは、イオンビームスパッタリング法と呼ばれる方法で鏡をコーティングしました。

このプロセスでは、チタンやゲルマニウムの原子を光源から剥離し、酸素と結合させて、ガラス上に原子の薄い層を形成します。

この新しいコーティングは、LIGOの5回目の観測に使用される可能性があります。

LIGOの5回目の観測は、「Advanced LIGO Plus」プログラムの一環として、今年度中に開始される予定です。

一方、Advanced LIGOの最後となるLIGOの4回目の観測は、2022年の夏に開始される予定です。

「これはAdvanced LIGO Plusのゲームチェンジャーです 。そして、これはLIGOがいかに最先端の光学と材料科学の研究開発に大きく依存しているかを示す好例です。これは、LIGOのための精密光学コーティング開発において、過去20年間で最大の進歩です。」とReitze氏は言います。

Published by California Institute of Technology. Gabriele Vajente et al, Low Mechanical Loss TiO2:GeO2 Coatings for Reduced Thermal Noise in Gravitational Wave Interferometers, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.071101




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