２０１８年 8 ⽉２１⽇
東京⼤学宇宙線研究所

KAGRA のサファイア鏡プレス公開

参考資料

本資料、および追加の資料、写真等を以下の URL よりダウンロードできます。
https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/archives/2655( パスワード: kagra-mirror )【概要】
東京⼤学宇宙線研究所を中⼼として、国⽴天⽂台、⾼エネルギー加速器研究機構などが共同で推進し、岐⾩県⾶騨市の地下に建設中の重⼒波望遠鏡 KAGRA（かぐら）の最重要構成要素のひ
とつ、サファイア鏡（ミラー）４基すべてが完成しました。⽇本国内製サファイア単結晶で製作した２基のうち、最後の１基を本⽇、東京⼤学柏キャンパスでプレスの皆様に公開します。

KAGRA ⽤サファイア鏡のプレス公開＜⽇時＞ 2018 年 8 ⽉ 21 ⽇（⽕）10:00~12:30 頃 (9:30 受付開始)＜場所＞ 東京⼤学宇宙線研究所６階⼤会議室
柏キャンパス・千葉県柏市柏の葉５−１−５,つくばエクスプレス柏の葉キャンパス駅よりバスまたはタクシー約 10 分
＜内容＞ 10:00~11:00
11:00~12:00

KAGRA とサファイア鏡製作についての説明（６階⼤会議室）
サファイア鏡公開（地下１階クリーンルーム）

12:00~12:30 ぶら下がり取材対応（6 階⼤会議室）＜対応者＞ 廣瀬 榮⼀（東京⼤学宇宙線研究所 特任助教）
⼤橋 正健（東京⼤学宇宙線研究所 教授・重⼒波観測研究施設⻑）【サファイア鏡撮影時の注意点】
6 階⼤会議室より、２グループに分かれて地下 1 階実験室へご案内します。
撮影時間は、準備・撮影・交代を含めて１社あたり 5 分以内でお願いします。
撮影場所が狭いので、撮影時の⼈数は１社あたり２⼈以内（テレビカメラの場合は３⼈以内）でお願いします。
サファイア鏡は埃を極度に嫌います。撮影時はクリーンルームに⼊らず、係員の指⽰した撮影範囲内での撮影にご協⼒をお願いします。

図 １：地下１階クリーンルーム撮影時のレイアウト
係員の指⽰に従い、オーバーシューズを着⽤の上⼊室お願いします。

【重⼒波について】

重⼒波とは、ブラックホール連星や中性⼦連星が合体するときなどに発⽣する「時空のひずみ」が波として宇宙空間をつたわるもので、1916 年にアルバート・アインシュタインが⼀般相対性理論からその存在を予⾔しました。それから約 100 年経った 2015 年、アメリカにある LIGO の２台の重⼒波望遠鏡が 13 億光年離れたところにあるふたつのブラックホールが合体した時に発⽣した重⼒波を世界で初めて直接観測し、その存在が証明されました。
その後、いくつかの重⼒波観測に成功し、ヨーロッパの Virgo 観測所も加わり、重⼒波で宇宙を観測する重⼒波天⽂学が幕を開けました。⽇本の KAGRA もこのネットワークに加わることでより正確な重⼒波観測をおこなうことが期待されており、現在急ピッチで観測に向けた準備がすすんでいます。
【重⼒波望遠鏡】
重⼒波望遠鏡は、重⼒波による時空のひずみを観測する装置で、1 メートルあたり 10-20 (10 のマイナス 20 乗)メートルという、⽔素原⼦の⼤きさ（約 10-10 メートル）と⽐べて 10 桁も⼩さなひずみの観測をおこないます。そのためにレーザー光をビームスプリッターという鏡で L 字の２本の腕の⽅向に分け、それぞれの先端に配置した鏡で反射させて戻ってきた光のわずかな位相差（到達時間の違い）を測定するいわゆるマイケルソン⼲渉計で重⼒波を観測します。
【なぜサファイアの鏡を使うのか】
この時、鏡の分⼦の熱運動も観測のノイズになるので、KAGRA では鏡を冷却し分⼦運動によるノイズを⼩さくします。そこで、冷やすことでうまく熱運動を抑えることができ、熱伝導もよい（つまり冷やしやすい）サファイアの単結晶を鏡の材質として選びました。KAGRA の観測時、サファイアの熱がもっとも伝わりやすい 20 ケルビン（およそマイナス 253℃）で運転します。
この鏡を冷却するという技術は現在常温で運転している LIGO などでも将来の感度向上のために導⼊が検討されている技術のひとつで、⽇本の KAGRA はその先進的なアイデアをいち早く取り⼊れているといえます。
【サファイア鏡について】
今回完成した KAGRA ⽤のサファイア鏡は直径 22 ㎝、厚さ 15 ㎝、重さ 23 ㎏で、⾼性能サファイアミラーとしては世界最⼤です。L 字型に伸びる２本の⻑さ 3 ㎞の腕それぞれの先端と根元でレーザー光を何百回も折り返す「光共振器」として使うため、サファイア鏡は合計４基必要で、今回で全ての鏡がそろうことになります。
【光共振器を⽤いて感度をあげる】
重⼒波による空間のひずみは腕の⻑さに⽐例します。つまり、できるだけ⻑い距離をつかって測定すると⼩さなひずみまで検出できるようになります。そのために世界の重⼒波望遠鏡は

3~4km という⻑い腕を持つのですが、10-20 メートルという⼩さなひずみの検出のためには 1 往復では⾜りないため、それぞれの腕の先端と根元に鏡を向かい合わせに置き、合わせ鏡の要領でレーザー光を何百回も往復させて（KAGRA の場合約 1000 回）実効的な距離を稼ぎます。この仕組みを光共振器と呼びます。
感度を⾼めるには共振器の中に光を効率よくため込む必要があります。KAGRA の場合、光が共振器の中を⼀往復する間に失うレーザーパワーを 100ppm（1/10000）以内に抑えることを⽬標としています。ところが、往復する間に光が共振器の外に漏れたり鏡に吸収されたりするのでこれは簡単ではありません。例えば、レーザー光が真空ダクト内を伝搬する間に径が広がるのを防ぐため、鏡の表⾯をわずかに凹⾯にして光を集めるようにしています。また、凹⾯部分が完全な球⾯ではなくわずかでも誤差があると共振器の外に光が逃げて⾏ってしまうため、鏡を研磨するときに極⼒この誤差を⼩さくし、反射膜コーティングの膜厚が⼀様になるような⾮常に厳しい要求値で製作しています。KAGRA で⽤いるサファイアで鏡を作る場合、この厳しい要求値を⼤きなサイズで実現できるかどうかは前例がなくやってみるまでわかりませんでした。

図 2：サファイア鏡の設置場所。⽶国製結晶を⽤いたエンドミラーは□で⽰した低温容器内に、⽇本製結晶を⽤いたインプットミラーは○で⽰した低温容器内に設置する。
【国内結晶メーカーと共同で新たな課題を克服】
KAGRA の４基のサファイア鏡のうち、腕の先端に設置したはじめの２基の鏡（エンドミラー）はレーザー光の反射のみを考えればよく、⽶国製のサファイア結晶から製作した鏡が要求性能を満たしました。⼀⽅、⼿前に設置する２基の鏡（インプットミラー）は⼊射するレーザー光や光検出器へと導くレーザー光がサファイア結晶中を通過します。このとき結晶中の屈折率が⼀様でないとレーザー光がゆらぎ、感度低下の⼀因となってしまいます。また、結晶中の屈折率が変化する部分では、光の吸収も⼤きいことがわかりました。⼀般にサファイア結晶は LIGO などで⽤いられている合成⽯英と⽐べて屈折率の⾮⼀様性がひと桁ほど⼤きく、屈折率がなるべく⼀様で低吸収の結晶を開発することが３、４基⽬のサファイア鏡の成功の鍵となっていました。東京⼤学宇宙線研究所の廣瀬榮⼀特任助教の率いる KAGRA の鏡チームは⽇本国内の結晶メーカーと試⾏錯誤しながらなんとか要求値を満たすサファイア結晶を製作することに成功しました。さらに、わずかに残った屈折率の⾮⼀様性の影響を抑えるために鏡の厚さを場所によって変更を加えることで補正し、⼗分な性能のインプットミラーが完成しました。
【今後の⾒通し】今回完成したサファイア鏡を今秋 KAGRA の低温真空容器内に設置し、2019 年内に最終構成での観測を開始できるよう調整を続けます。その先を⾒据え、鏡チームはサファイア鏡をさらに⼤型化することで低周波数域（100Hz 以下）での感度を⾶躍的に上昇することを検討しています。そのために、この春から前述の結晶メーカーと東京⼤学宇宙線研究所の間で 100 ㎏クラスのサファイア結晶開発を⽬指した共同研究契約を結び、KAGRA のインプットミラー⽤結晶開発で得た経験とノウハウをベースにした研究開発を開始しました。
【補⾜】

KAGRA ⽤サファイア鏡製作にかかわっている協⼒団体
株式会社信光社（インプットミラー⽤低吸収結晶、⽇本）GT クリスタルシステムズ（エンドミラー⽤結晶、アメリカ）
AMETEK, ZYGO Extreme Precision Optics（研磨、アメリカ）
LMA（コーティング、フランス）
Coastline Optics（スペアエンドミラー製作、インプットミラー研磨の⼀部、アメリカ）
CSIRO（サファイアミラープロトタイプ製作、オーストラリア）
Caltech, the LIGO laboratory（サファイアミラー評価、アメリカ）
東京⼤学物性研究所⼯作室（サファイアミラー⽤ハンドリング冶具製作、⽇本）【本件に関するお問い合わせ先】〈⼤型低温重⼒波望遠鏡 KAGRA に関すること〉
東京⼤学宇宙線研究所 KAGRA 広報 ⼤林
TEL: 04-7136-5188 (平⽇ 9 時〜17 時)
Email: kagra-pub@icrr.u-tokyo.ac.jp〈東京⼤学宇宙線研究所に関すること〉
東京⼤学宇宙線研究所 広報担当 中村
TEL: 04-7136-5148 (平⽇ 10 時〜17 時)
Email: icrr-pr@icrr.u-tokyo.ac.jp