報道各位
2018 年 8 ⽉ 9 ⽇
東京⼤学宇宙線研究所

大型低温重力波望遠鏡 KAGRA のサファイア鏡４基がすべて完成、日本製のサファイア単結晶から作った鏡をプレス初公開
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基を東京⼤学柏キャン
パスでプレスの皆様に下記の要領で公開します。
参加をご希望される⽅は添付の申し込みフォームに必要事項をご記⼊いただき、8 ⽉ 17 ⽇午後４時までに宇宙線研究所広報室まで電⼦メール(icrr-pr@icrr.u-tokyo.ac.jp)にてお申し込みください。皆様のご参加をお待ちしております。
記

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＞
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。

以上

入口

図 1：東京⼤学柏キャンパス案内図
宇宙線研究所正⾯⼊⼝から⼊館、エレベーターで６階へお越しください。
柏キャンパスまでの交通⼿段：http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/beta/access.html

図 2：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、１社ずつ⼊室お願いします。

【概要】
KAGRA の最⼤の特徴は鏡を「冷やす」ことです。そのため、先⾏する⽶国の LIGO（ライゴ）や欧州の Virgo（ヴィルゴ）とは異なり、冷やしやすいサファイアでできた鏡を⽤います。KAGRAのサファイア鏡は直径 23 ㎝、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。この鏡を９⽉以降 KAGRA の低温真空容器内に設置し、世界最⼤の低温光共振器が完成します。その後、装置の調整を続け、2019 年内の本格観測開始を⽬指します。
【なぜサファイアの鏡を使うのか】重⼒波望遠鏡とは、ブラックホールの連星や中性⼦星の連星が合体するときなどに発⽣す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。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。冷やして使⽤するため、低温で熱伝導がよい（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。
【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。
【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。

３km３km

図 3：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。

東京⼤学宇宙線研究所 広報担当 中村宛TEL: 04-7136-5148
Email: icrr-pr@icrr.u-tokyo.ac.jp

大型低温重力波望遠鏡 KAGRA のサファイア鏡プレス公開（８月２１日）
参加申込書※参加ご希望の⽅は８⽉１７⽇（⾦）午後４時までに宇宙線研究所広報室（icrr-pr@icrr.utokyo.ac.jp）まで、電⼦メールにてご連絡をお願いします。

貴社名：

⽒名

連絡先
（電話番号）（Email）（電話番号）（Email）（電話番号）（Email）---------------------------------------------------------------------------------------------------------【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