大型低温重力波望遠鏡 KAGRA

宇宙線研究所 大橋正健
光天連シンポ 2021.9.6

1

計画の実施主体、共同利用体制、コミュニティの合意
計画の実施主体

マスタープラン2020用のプレゼン資料
 宇宙線研究所をホストとし、国立天文台および高エネルギー加速器研究機構を共同ホスト機関として（3機関覚書）推進する。
 また、KAGRAに最も近い富山大学とも組織的な協力関係を結び（富山大・宇宙線研覚書）共同でプロジェクトを遂行する。

共同利用体制 約400人（国内約250人、国外約140人）の研究者が参加するKAGRA国際コラボレーションが研究を遂行し、宇宙線研究所が共同利用のホストとしての業務を行う。
参加国：研究者コミュニティの合意

アジアを中心に国内外から約400人の研究者が集まる国際共同研究（2019年8月のミーテ
イング＠富山大）

 本計画は宇宙線研究者会議（CRC）から「CRC の最重要課題として最優先で推す現行計画」のひとつ、として推薦をいただいている。
大型低温重力波望遠鏡KAGRA計画

2

日本の重力波研究の歩み
補足
-1990

共振型重力波検出器の開発研究1991-1994

レーザー干渉計型重力波検出器プロトタイプ（国立天文台20mFP、宇宙科学研究所100mDL）

1995-2001

TAMA300（300m、三鷹）

新プロ

1999-2001

LISM（20mFPを神岡移転）

基盤A

2002-2005

TAMA300観測、CLIO建設（低温100m、神岡）

特定領域研究2006-2008

CLIO観測研究

基盤A

20092010-2012

重点領域研究

CLIOでミラー冷却による感度向上を確認
KAGRAプロジェクト開始

最先端基盤研究
フロンティア事業

20122014-2019

KAGRA観測研究

2019

KAGRA完成式典、LIGO-Virgo-KAGRA 間の MoA

2020

KAGRA観測開始（O3GK）、LVK体制の確立

特別推進プロジェクト実現の数々の困難• 実験室内の小規模実験から巨大科学への転換• 巨額の予算をどうやって獲得するかの困難• １研究機関内に必要人数を持てないための困難• プロジェクトの国際化の困難• 研究人生とプロジェクト研究期間との関係

名称（LCGTからKAGRAへ）

名前は大事である

プロジェクト実現の数々の困難• 実験室内の小規模実験から巨大科学への転換• 巨額の予算をどうやって獲得するかの困難• １研究機関内に必要人数を持てないための困難• プロジェクトの国際化の困難• 研究人生とプロジェクト研究期間との関係

20mFP

TAMA300

意識改革が必要
KAGRA

ＬＣＧＴ推進組織

2008/6/25＊ICRRをホスト機関として、国立天文台、KEKとの協力のもとに推進＊予算化された場合には国立天文台の重力波グループが在籍出向の形で宇宙線研へ異動

国内機関総研究者数 ５７
海外総研究者数
２９

新しいＬＣＧＴ推進組織（２００８の組織改革）

中谷一郎（サブマネージャ：大橋正健）●プロジェクトリーダーが全体の計画の目標、大きな方向性を決め、プロジェクトマネージャがその目標に向けてのプロジェクトの具体的進め方を決める分業体制に。
●従って、プロジェクトの具体的な進め方については、今後プロジェクトマネージャが最終判断をする。
●サブマネージャは、重力波の専門家としての立場から、プロジェクトマネージャをサポートする。

9プロジェクト実現の数々の困難• 実験室内の小規模実験から巨大科学への転換• 巨額の予算をどうやって獲得するかの困難• １研究機関内に必要人数を持てないための困難• プロジェクトの国際化の困難• 研究人生とプロジェクト研究期間との関係

学術審議会および大学共同利用機関からの支持• 平成６年に国立天文台、高エネルギー物理学研究所、宇宙線研究所で、３所長覚書を交わす。それ以後、２年毎に更新し現在に至る。
• 平成１２年に学術審議会・宇宙科学部会報告に重力波望遠鏡が「当面は技術開発を強化しつつ、早期の着手を目指す計画として位置づける」とされた。

20mFP
ここは連続できた

TAMA300

ここには困難があった
KAGRA

次世代低温干渉計LCGT計画, R&D
Revised LCGT のR&D
CLIO100の建設・観測
TAMA感度向上＆観測
重力波データ解析向上
概算要求をし続けながらも、研究を途切れさせない努力

KAGRA計画の特徴（地下、低温）

地面振動を抑えて世界最高環境での観測 安定な神岡地下深部、２本の直行する３ｋｍトンネル内に設置

熱雑音の抑制で高感度を達成
 独自開発の低温ミラー

これをどうやって実現するか？という工夫

LCGTの開発研究

TAMA（国立天文台三鷹キャンパス）

CLIO（神岡宇宙素粒子研究施設）

1995年建設開始
1999-2004年まで感度向上実験および観測2004年以降感度向上のため低周波防振装置を導入

2003年建設開始
2006年以降実証テスト中
・神岡の地下設置（地下の安定性）
・低温に保つ冷凍機の連続運転

これらの実証実験を通して、本格的な重力波望遠鏡を建設、運転するノウハウを蓄積。
TAMAに加え、もう一つの開発研究を入れる

LCGT計画ＫＡＧＲＡの歴史（様々な財源の組み合わせ）2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
プロジェクト予算化
トンネル掘削工事
iKAGRA

初期運転
bKAGRA

3km 低温レーザー干渉計
本格運転
干渉計高度化コミッショニングおよび観測
17フロンティア事業に入ることができたことで、運用が安定した

土木工事は経験が無く、困難があった•
•
•
••
•

Excavation from Mozumi entrance finished on
2013/03/06.
The Yend has been completed except for thevertical hole.
Center area has been completed except for thevertical hole.
The current progress of Xarm and Yarm are 2110m
and 3000m, respectively.
Yarm tunnel was completed on 2013/12/05.
The excavation will be completed on 2014/03.

1165m

2500m

20

KAGRA研究棟
飛騨市神岡町北部会館の旧保育園部分を改装。

隣接地にデータ収集・解析棟を建設（H24補正予算、340㎡）

１階部分(140m2)

最初は地元からの支援でプロジェクトを始めた

プロジェクト実現の数々の困難• 実験室内の小規模実験から巨大科学への転換• 巨額の予算をどうやって獲得するかの困難• １研究機関内に必要人数を持てないための困難• プロジェクトの国際化の困難• 研究人生とプロジェクト研究期間との関係

学術審議会および大学共同利用機関からの支持• 平成６年に国立天文台、高エネルギー物理学研究所、宇宙線研究所で、３所長覚書を交わす。それ以後、２年毎に更新し現在に至る。
• 平成１２年に学術審議会・宇宙科学部会報告に重力波望遠鏡が「当面は技術開発を強化しつつ、早期の着手を目指す計画として位置づける」とされた。

３機関覚書

プロジェクト実現の数々の困難• 実験室内の小規模実験から巨大科学への転換• 巨額の予算をどうやって獲得するかの困難• １研究機関内に必要人数を持てないための困難• プロジェクトの国際化の困難• 研究人生とプロジェクト研究期間との関係

20mFP

TAMA300

最初は国際プロジェクトではなかった
KAGRA

TAMA300とLIGOの共同観測について

TAMA-LIGO同時観測
・2003年2月14日～4月15日
・1,158時間データを取得
・94名が観測シフトに参加
・duty cycle 81.3%（世界一）国際観測ネットワークの覚書にサイン

LVKの枠組の始まり（2019.10.4）
KAGRA一般公開

2020112327

プロジェクト実現の数々の困難• 実験室内の小規模実験から巨大科学への転換• 巨額の予算をどうやって獲得するかの困難• １研究機関内に必要人数を持てないための困難• プロジェクトの国際化の困難• 研究人生とプロジェクト研究期間との関係

プロジェクト開始前のスライド

様々な重力波に対する感度
一人の研究人生におさまらないプロジェクトをどう実現するか？
–16

1/2

Strain [1/Hz ]10–1810大質量
ブラックホール連星合体

LISA

銀河系内連星

–20

重力崩壊型
超新星爆発

パルサー

ScoX-1(1yr)10

銀河系内連星バックグラウンド雑音

–22

10

DECIGO–2410

初期宇宙からの重力波(Ωgw=10-14)

基線長 107 m, マス 100kg,
レーザー光 10W, 波長 532nm
テレスコープ径 1m–26–410–201010Frequency [Hz]
宇宙線研究所ガイダンス(1yr)

LCGT

重力場変動雑音(地上検出器)10

2008/6/23

中性子星連星合体

21010429

KAGRA観測開始 2020.2.25

KAGRA一般公開 20201123

30

O3直前の感度向上記録
2019年8月、0.4kpc
2019年11月、4kpc
2019年12月、30kpc
2020年2月、300kpc
2020年3月26日、1Mpc
1Mpc達成（ここまででCOVID-19の影響により作業終了）

O3当初目標31

LIGO-Virgo-KAGRA国際共同観測の予定

O3GK

Stopped due
to COVID-19

大型低温重力波望鏡 KAGRADelay?

32

KAGRAは国際化、高感度化を通じて重力波天文学に貢献してゆきます