富山大学 理学部 学部案内2019

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重力波から宇宙を探る：KAGRAと富山大学理学部（理学部ホームページトピックス記事　平成29年６月掲載）1. 重力波とは何か、そして初検出　2016年2月、アメリカのLIGOによる重力波の直接検出の成功が大きなニュースとして世界中を駆け巡りました。そして2017年10月LIGOの3人にノーベル物理学賞が授与されることが発表されました。なぜこれほど大きなニュースとなり、これほど速やかにノーベル賞が授与されたのでしょうか。 　1915年アルバートアインシュタインは一般相対性理論を完成させました。これはニュートン以来の重力に関する考えを一新するものでした。一般相対論によると大きな質量をもつ星があるとその周りの時空が歪みます。その近くを小さい物体が通過すると時空が歪んでいるため、それにより軌道が曲がってしまいます。これをニュートン以降アインシュタイン以前は星による重力によって小さい物体がまっすぐに進めないと理解してきたわけです。 1916年にアインシュタインはこの一般相対性理論をもとにして重力波の存在を予言しました。先の例でいうと時空の歪みのもととなる星が大きく変動すると時空の歪みも変化してそれが光速度で周りに伝わっていきます。これが重力波です。しかし重力波は大変微弱でその検出は困難を極めました。一般相対論は他にもニュートン重力にはない現象を予言しましたが、それらは1960年代以降の実験技術の飛躍的な進展によりことごとく検証されました。そして最後に残ったのが重力波の直接検出で、アインシュタインからの最後の宿題とまで言われていました。この最後の宿題が100年越しでやっと解決した、というのが大きなニュースと速やかなノーベル賞となった主な理由の一つです。　この初検出で我々が驚いたのは2つのブラックホールからなる連星が合体したときに発生した重力波だったということです。初検出は中性子星というコンパクトで重い星からなる連星の合体から発生した重力波だと予想されてきました。なぜなら連星中性子星は存在することがわかっていました（連星中性子星の発見に対してノーベル物理学賞が授与されています:1993年　Russell A. Hulse and Joseph H. Taylor Jr.）が、連星ブラックホールが存在するかはよくわかっていませんでした。というのは重力波以外の手段で観測するのは難しいからです。つまり重力波自体が新たな宇宙や星の観測手段（重力波天文学）となることをこの上もなく明瞭にしめしたということになります。2. 今後の重力波検出 では100年越しの夢がかなってすべてめでたしめでたしで重力波の研究はおしまい、でしょうか。ここでちょっと違う話題、ニュートリノ、のことを考えてみましょう。ニュートリノは素粒子の一種です。1930年にパウリが予言しました。ニュートリノの直接検出も大変難しく、ノーベル賞の対象になっています（1995年：Frederick Reines）。ではニュートリノの研究はこれで終わりかというとそうでなくその後も重要な発見が続いています。ノーベル賞だけみても、ニュートリノは複数の種類（世代）があることの発見（1988年：Leon M. Lederman, Melvin Schwartz and Jack Steinberger）、世代の間で質量に差があることの発見（2015年：梶田　隆章　and Arthur B. McDonald）、ニュートリノによる天文学（2002年：Raymond Davis Jr. and　小柴　昌俊）があります。 　重力波に話を戻すと連星ブラックホールの発見で驚くことの一つはブラックホールの質量が太陽の30倍程度だったことです。これまで想定されてきたブラックホールの質量は太陽のたかだか数倍程度か逆に100万倍以上でした。このためどのようにしてこのようなサイズのブラックホールが生成されたのかというのが大きな問題の一つとなっています。解決のためには多くの連星ブラックホールの合体を観測することが必須となります。以上のことから国際的な流れとして現在のLIGOの目標より10倍よい感度の検出器（歴史的経緯から第3世代と呼ばれています。現在のLIGOは第2世代）を建設することを目指し始めています。感度がよければより遠く、つまりより多くのブラックホールを観測することができます。また天文学ということから重力波がやってきた方向を精度よく決める必要があります。複数台検出器があると重力波の到達時間の差から方向を決めることができます。台数が多いとその精度は高くなります。3. 日本の重力波検出器 KAGRA　　このような流れの中、日本では岐阜県飛騨市神岡町でKAGRAの建設と開発が進められています。KAGRAも第2世代ですが、他にない大きな特徴があります。まず地下（鉱山内）に建設するということです。重力波検出にとって大敵である地面振動が都市近郊より100倍小さいからです。さらに熱雑音というもう一つの雑音を低減するために検出器の重要な構成要素である鏡を冷却します。これらは特徴や技術は第3世代の検出器で導入を検討されており、その意味でKAGRAは先端を走っています。4. 富山大学の役割　富山大学理学部は車を使えばKAGRAからわずか一時間という地の利を活かして大きく貢献しています。　そのうちの一つがレーザーの強度安定化です。検出器の光源であるレーザーのパワーの揺らぎは雑音の原因となりますが、これを極限まで抑える技術の開発を行っています。　また高感度化のためパワーリサイクリングという技術を導入する必要があります。これの実現のためにKAGRAでは”グリーンレーザーロック”という手法を採用しました。これの開発も行っています。 　そして検出器の最重要部品の一つである鏡を吊るすための準備も行っています（この鏡が20K（-253℃）程度まで冷却されます）。吊るすためには耳と呼ばれる部品を鏡の側面上の正確な位置に接合する必要があります。現在この接合作業を富山大学理学部のクリーンルームで行っています。 　これを読んでいる高校生の皆さん、富山大学理学部にきてKAGRAに参加してみませんか？ （物理学科　山元 一広）KAGRAの鏡：これが重力波を最初に"感じる"部品となります。サファイアでできており直径22cm、厚さ15cm、重さが23kgです。表面には反射膜が施されます。この写真の鏡はすでにKAGRAに設置されました。表面には赤くみえるのは反射面を保護する膜でKAGRAに設置されたあと取られました。鏡の耳を接合する作業：富山大学理学部のクリーンルーム内で行っています。KAGRAの鏡に耳を接合しています。接合するときに埃が入ってはいけないのでクリーンルームの中で写真のような特殊な服を着て作業しています。RESEARCH TOPICS15RESEARCH TOPICS