宇宙マイクロ波背景放射偏光測定

で探る超高エネルギー物理

1

羽澄昌史（KEK)

平成21-25年度新学術領域研究（研究領域提案型）

背景放射で拓く宇宙創成の物理ーインフレーションからダークエイジまでー領域代表者：

羽澄昌史 (KEK・総研大)

計画研究代表者：

羽澄昌史 (KEK・総研大)

大谷知行 (理研)

松浦周二 (JAXA)

服部誠 (東北大)

小玉英雄 (KEK・総研大) 2

素粒子物理実験

テラヘルツ工学

宇宙理論

赤外線天文学

観測的宇宙論

http://cbr.kek.jp/

インフレーションによる宇宙創成

ビッグバンの前を記述する仮説

最も有望、しかし常識では信じがたい仮説

宇宙の一様性、平坦性、構造形成を見事に説明

一瞬で “アメーバが銀河サイズになる” 宇宙の加速膨張

背後の物理法則は未知。素粒子標準理論で説明不可能

3

人類に課せられた最大の知的挑戦

WMAP衛星

宇宙マイクロ波背景放射とはCosmic Microwave Background (CMB)

宇宙に満ちている微弱なマイクロ波（ミリ波） 宇宙誕生38万年後に生まれた「電磁波の化石」

CMB全天温度マップ

4

ＣＭＢはインフレーションを検証する最も強力な手段

CMBによるインフレーションの検証

5

宇宙の一様性

宇宙の平坦性

宇宙構造の起源

原始重力波

1978年ノーベル物理学賞

初期CMB観測

2006年ノーベル物理学賞

COBE, WMAP,

銀河宇宙地図

BOOMERanG,

WMAP

原始重力波は、インフレーションの存在を直接証明できる、最も重要な予言

インフレーションと自然界の究極理論

宇宙論時間

ビッグバン

インフレーション期？

137億年（現在）

10-36 秒？

原始重力波？

？秒

38万年

1016？

インフラトン？

４つの力

エネルギー（ギガ電子ボルト）

素粒子論

104

加速器

6

インフレーションエネルギー1.06 1016 (r/0.01)1/4 GeV

7

CMBによる原始重力波検出－温度から偏光度へー

CMB偏光Bモード検出がベストな原始重力波発見法

CMB直線偏光マップCMB偏光Ｂモード“渦”パターン原始重力波の“刻印”

補足

8

「湧き出し・吸い込みの成分」と「回転の成分」でも表せる

棒の長さと向きで表す

どちらも自由度２だから

E-mode B-mode

ＷＭＡＰ

9

CMB観測の現状

温度のパワースペクトル

原始重力波の成分（理論予想例）

渦状の偏光成分（Bモード）

未発見

大視野角 小視野角

渦なしの偏光成分（Ｅモード）

発見のチャンスは大きい！

インフレーションと超高エネルギー物理

10

インフレーションポテンシャル、Ｖ、が大きいほど強い原始重力波を放出 より明瞭なBモード

V1/4 = 1.06 1016 (r/0.01)1/4 GeV

Ｂモードの明瞭さの度合いを r と書くと

Ｂモードの発見 インフレーションエネルギーの決定

Ｂモード見つからず インフレーションエネルギーの上限を得る

いずれの場合も、インフレーションの背後にある量子重力理論（超弦理論など）の検証がはじまる！

11Pagano-Cooray-Melchiorri-Kamionkowski 2007

Search for r=O(0.01) iswell motivated

Current limit

preferred phenomenologically,

Scientific Shopping List Bモード（low l）による原始重力波の探索

重力レンズによるBモード（high l）の発見

ダークエネルギー

ニュートリノ質量

Beyond the Standard Model

重力パリティの破れ （non-zero CEB etc.)

宇宙再電離(low l）

前景放射のサイエンス

最終目標：インフレーションパラメータの決定とモデルの選別

12

（実験屋の本音：予期せぬ発見で理論家をギャフンと言わせたい）

計画概要

QUIET

PolarBeaR

LiteBIRD

３つのプロジェクトを推進

13

目標１

地上観測(QUIET、PolarBeaR)を推進し、研究期間の終わり（２０１４年３月）までに

r=0.01までの探索を行い、論文を発表する

14

多くのインフレーションモデルで発見が予言されている領域を初めて探索

0.22 (WMAP etc.) 0.01

目標２

世界に先駆けて２０１０年代にBモード観測衛星LiteBIRD

を打ち上げるための基盤を確立*

15

*「提案が認められたら実行できる」技術的・学術的基盤を確立

KEK CMBグループ

１.地上観測

17

QUIET PolarBeaR

18

• 高い感度を達成する原理

–極低温偏光計 ：熱雑音の減尐

–アレイ化（偏光計の数を増やす） ：統計誤差の減尐

衛星にはまだ搭載できない最新の偏光計を、今、地上観測に使用することで、衛星観測をしのぐ感度を達成できる

極低温偏光計アレイを用いた地上実験を推進

18

なぜ地上観測？

ＱＵＩＥＴ実験概要

19

ストークスパラメータＱとＵを同時に出力

（ストークスパラメータＱ）

• 宇宙マイクロ波背景放射（ＣＭＢ）偏光度測定専用1.4ｍ電波望遠鏡

• Ｑバンド（４０ＧＨｚ）とＷバンド（９０ＧＨｚ）の観測

• チリ・アタカマ高地（標高５０８０ｍ）

小型ＭＭＩＣ偏光計（ＪＰＬ）

QUIETコラボレーション(http://quiet.uchicago.edu)

5 countries, 12 institutes, 〜40 people 20

QUIETコラボレーション(http://quiet.uchicago.edu)

5 countries, 12 institutes, 〜40 people 21

QUIETコラボレーション(http://quiet.uchicago.edu)

5 countries, 12 institutes, 〜40 people

日本グループこれまでのアクティビティ

-データ解析-データ管理-データクォリティモニタ- W-band(90GHz帯)レシーバーシステム開発

(シカゴ大にて一緒に活動)

-アップグレードプランのR＆D

M. HazumiT. HiguchiO. TajimaM. HasegawaY. Chinone (Tohoku univ.)

22

ＱＵＩＥＴ年表• 2007年11月：KEKグループがQUIETに正式参加

• 2008年 9月：Phase-I Q-band first light !

• 2008年 6月：Phase-I Q-band観測終了

• 2008年 6月：W-band deployment

• 2009年 7月：Phase-I W-band first light !

• 2009年 7月：Phase-II 日本側予算採択（新学術領域）

• 2009年 8月：Phase-II プロポーザルをNSFに提出

• …………………………….

• 2010年 3月：Phase-I W-band観測終了（ただし2010年6月まで延長の可能性あり

• 2010 ：Phase-I 解析結果発表

• 2010‐2014 ：Phase-II

23

QUIET telescope mount

electronics

CMB

receiver

24

QUIET receiver system

25~40cm

Polarimeter on chip

Much smaller (1/10)

than before

Breakthrough for

Multi-channel

observation

Example cutting-edge technology:

MMIC

26

3cm x 3cm

~30cm

JPL

CAPMAP

QUIET

Smaller receiver

more receivers in the focal plane

smaller statistical error

Another example of cutting-edge technologies

(antenna-coupled TES) will be seen later in this talk.

Polarimeters on a chip (JPL)

27

~3cm

W-band module

Det. Diode

L=EX+iEY R=EX-iEY

HEMT Amp.

Phaseswitch

4kHz

180 Coupler

90 Coupler

|LR|2+Q -Q

-U|LiR|2+U

+1 1

Ｑバンド観測

28

観測した主な天空（パッチ）

観測時間～３８００時間

偏光観測の例

• ＷＭＡＰよりはるかに高い偏光感度29

ＱＵＩＥＴ100時間未満のデータ

ＷＭＡＰ公開全データ

酸素ボンベを背負って作業

30

31

Another type of observation

Ｐｈａｓｅ‐Ｉ実験Ｑバンド 感度と結果予想

32

Ｅモード

Ｐｈａｓｅ‐Ｉ実験 他実験との比較

33

世界最高レベルのデータ

Ｅモード

QUIET phase II (1600channels)

34

Ｐｈａｓｅ‐ＩＩ 感度予想

35

検出器性能 現状維持の場合 改良（進行中）が成功した場合

Ｅモード

Ｂモード

δr 0.018 0.005

lensing 10σ 35σ

QUIET Phase II

日本グループのresponsibility

90GHzレシーバーシステム (1/4）

Data/analysis center (KEK, Chicago, Oslo)

DAQ

36

備考：データ解析はコラボレータ全員がチャンスを持つ

大きな責任

37

38

39

PolarBeaR:日本グループの主な貢献

PolarBear IIレシーバーシステム製作

40

（PolarBear II）

90GHz+150GHz 日本グループ receiver system (0.1K)

センサー供給のみUC Berkeley、あとはすべて日本グループ

LiteBIRDとPolarBeaRの活動に最大限の重なりを持たせる = “PolarBIRD”

41

Verde-Peiris-Jimenez 2005

Point: QUIET+PolarBeaR combined analysis will give the

best sensitivity. Essential to have evidence for r~0.01

PolarBeaR+QUIET

PolarBear

QUIET

CMB偏光Bモード

銀河系内シンクロトロン放射

銀河系内ダスト熱放射

日本グループはQUIETとPolarBeaRの両方を推進する唯一のグループとして統合解析を主導

42

地上観測： まとめ

チリ（標高5000m）でのＣＭＢ観測

– QUIET 望遠鏡（40/90GHz）

– PolarBeaR望遠鏡（90/150/220GHz）PolarBeaR

HEMT

(20K)

超伝導転移端センサ(0.3K)

QUIETとPolarBeaRの両方を推進する唯一のグループとして統合解析を主導

QUIET プロトタイプ実験の実績を生かしQUIET偏光系システム（全体の1/4)を担当

高エネルギー加速器実験で培った技術で大規模データ取得解析システム構築を主導

PolarBear IIレシーバーシステム構築

国際協力実験での強いリーダーシップ

偏光Ｂモードを発見！

42

今後5年間の計画

43

2007 08 09 10 11 12 13 14

QUIET

phase I phase II

PolarBeaR

QUIET phase I phase IIPolarBeaR

LiteBIRD

Bonn-Caltech-Columbia-JPL-KEK-Chicago-

Stanford-Manchester-Miami-Oslo-Oxford-

Princeton

Cardiff-Colorado-

Imperial College-KEK-

LAC-LBNL-McGill-

UC Berkeley-UC San Diego

２．衛星観測

44

LiteBIRD

LiteBIRDLite (light) Satellite for the studies of B-mode polarization and

Inflation from cosmic background Radiation Detection

– 目的： CMBのB-modeの偏光観測

– サイエンス： インフレーションのエネルギースケール、原始重力波の観測、宇宙再電離

– プラットフォーム： 小型科学衛星2008年9月JAXA小型科学衛星WGとして承認

– ～１０年後の打ち上げ（２０１８年度目標）

45

LiteBIRD Collaboration

• 佐藤洋一，杉田寛之 （ARD/JAXA）

• 松村知岳（Caltech） Planck, BICEP, EBEX

• 福家英之， 松原英雄，満田和久，吉田哲也（ISAS/JAXA）

• 片山伸彦，佐藤伸明，鈴木敏一，住澤一高，田島治，都丸隆行，羽澄昌史，長谷川雅也，樋口岳雄，吉田光弘 （高エネ研） QUIET, PolarBear

• 大田泉 （近畿大）

• 鵜澤佳徳，関本裕太郎，野口卓 （国立天文台）

• Julian Borrill （LBNL） Planck

• 石野宏和，樹林敦子 （岡山大理）

• 柳沼えり （総研大）

• 茅根裕司，服部誠 （東北大理） QUIET

• William L. Holzapfel，Bradley R. Johnson，Adrian T. Lee，Paul L. Richards，

Huan T. Tran （UC Berkeley） PolarBear, EPIC, BICEP, SPT

• 小松英一郎 （UT Austin） WMAP

• コンサルタント：小玉英雄（KEK)、中川貴雄（JAXA)、川邊良平（NAOJ)

宇宙電波懇談会シンポジウム ２００９年９月２５日46

Science goals

• インフレーションによるB-modeスペクトル （ l 200 ） を詳細に観測。

• LensingによるB-modeスペクトル （ l 200 ） も観測でき、インフレーションによるB-modeスペクトルとの混乱を分離。

• 全天観測により宇宙再電離の時期を判定。

• ６０−３００GHzをカバーし前景放射（シ

ンクロトロン放射、ダスト放射）を同一実験で観測する。

EE

BB

r = 0.1

47

Science goals

• インフレーションによるB-modeスペクトル （ l 200 ） を詳細に観測。

• LensingによるB-modeスペクトル （ l 200 ） も観測でき、インフレーションによるB-modeスペクトルとの混乱を分離。

• 全天観測により宇宙再電離の時期を判定。

• ６０−３００GHzをカバーし前景放射（シ

ンクロトロン放射、ダスト放射）を同一実験で観測する。

EE

BB

r = 0.01

EE

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Science goals

• インフレーションによるB-modeスペクトル （ l 200 ） を詳細に観測。

• LensingによるB-modeスペクトル （ l 200 ） も観測でき、インフレーションによるB-modeスペクトルとの混乱を分離。

• 全天観測により宇宙再電離の時期を判定。

• ６０−３００GHzをカバーし前景放射（シ

ンクロトロン放射、ダスト放射）を同一実験で観測する。

EE

BB

r = 0.1

Planck

LiteBIRD

ノイズスペクトル

49

Design Concept

LiteBIRDでは

• 小型衛星に搭載するために軽量化及びコンパクト化質量 < ４００kg，全長 < １m

• 検出器の数を増やし統計誤差を下げるための広い焦点面検出器数 >1000, 直径 = ３０cm, 視差３０°×３０°

• 前景放射を差し引くための広い帯域をカバーした光学系及び焦点面帯域 ６０〜３００GHz （５〜1mm）

• 偏光の系統誤差を減らすためのシンプルな光学系1/2波長板変調機はサファイアを用いる。直径 < ３０cm

• アメリカには多くの地上／気球実験が現在観測中

• アメリカ／ヨーロッパでもCMB偏光衛星実験を提唱大型衛星実験

全てのバンドを１テレスコープで（多色焦点面）

50

Optics telescope

Zemaxを使った光学デザイン。

• 光軸対称の屈折望遠鏡

• 視野： ３０°×３０°

• Strehl ratio > 0.8 （回折限界） を平面焦点面全域＠ 300GHzで実現。

• レンズ： 高密度ポリエチレン

（高密度ポリエチレンの放射耐性、酸化への影響によってはSiレンズを用いる。）

• 光学系の温度は２Kに保つ

• 1/2波長板を用いた偏光変調– 偏光角度を回転

• メインビームの系統誤差

• サイドローブをコントロールする

焦点面直径 = 30cm

HDPE 接眼レンズ

HDPE 対物レンズ

Aperture 直径 = 30 cm

1/2波長板

IR blocker

アンテナ結合型検出器

75cm

宇宙電波懇談会シンポジウム ２００９年９月２５日51

Broadband coverage

• 周波数の帯域幅– 1/2波長板の変調効率

– レンズ及び1/2波長板 （n〜３のサファイア）の反射防止膜の帯域 1/2波長板

HDPE レンズ

HDPE レンズ

焦点面

1/2波長板の変調効率1/2波長板に対する７層の反射防止膜

52

Nutshell

53

Future prospects

(LiteBIRD)

54

理論予想例Pagano-Cooray-Melchiorri

-Kamionkowski 2007

干渉計重力波探索との関係

55

ＣＭＢのほうが感度が高いので、原始重力波の発見にはＣＭＢ偏光Ｂモードがベスト。

ＣＭＢによる原始重力波の発見は、将来の干渉計重力波探索に定量的な大目標を与える。

CMB偏光Bモード観測は従来の光学観測と将来の重力波観測との懸け橋となる！

プロジェクト関係図

56

LiteBIRD

QUIET

PolarBeaR

枯れた技術で早い実験開始 唯一40GHzを持つ実験

究極の原始重力波発見感度 日本主導（得意の小型化）

衛星につながる超伝導技術 大きい(3.5m)望遠鏡で重力レンズに強い

5年で～10倍改善

10年で～100倍改善

共同観測

共同開発

経験・実績

LiteBIRD

観測

観測：2008 ~ 2010, 2011 ~ 2013

2010 ~ 2013

2018 ~

まとめ• サイエンス

• Bモード：宇宙論・超高エネルギー物理の双方でエキサイティングなテーマ

• ５年間の目標• 地上実験でr=0.01まで探索

• 世界に先駆けて打ち上げる衛星実験の基盤確立

• プロジェクト• QUIET+PolarBeaR（地上）

• LiteBIRD（衛星）

• 課題

• 超低ノイズ検出器アレイ

• 大容量データ取得と処理

• 低温技術

• 系統誤差の小さい光学系

• 解析アルゴリズム57

新しいことにチャレンジしたい方の参加を歓迎します！

Backup Slides

58

59

60

QUIET I QUIET II

Trigger rate and Event size in HEP experiments

H1, ZEUSBelle

There are a lotwe can learn fromHEP DAQ

SuperBelle

61

QUIETBruce Winstein, 日下暁人

田島治、長谷川雅也ポスドク、大学院生

A01:Bモード偏光測定

A03：赤外背景放射

A02：超伝導検出器A04：前景放射

A05：理論 A00：総括班

PolarBeaR

羽澄昌史 都丸隆行、西野玄記、Adrian Lee

吉田哲也、松原英雄、満田和久、鈴木敏一、住澤一高、ポスドク、大学院生

ポスドク大学院生

LiteBIRD

研究組織図

Tomo Matsumura

62

63

r<0.01という制限が得られたらlarge-fieldを棄却

Neutrino質量と大規模構造の関係

64

Neutrinoの質量に応じて、大規模構造の滑らかさが変わる。(大規模構造のポテンシャルはMνに依存する)

大規模構造がもやっとする

質量のあるニュートリノが質量をもちだすので

65

重力レンズ効果とは

6666

Deflection Field

重力レンズ効果とCMB

67

レンズ効果を受けたCMBのパワースペクトルから、大規模構造のポテンシャルを決めることができる。

Mνが決まる。

大規模構造のポテンシャルにより、パワースペクトルがゆがむ。

68

ニュートリノ質量とhierarchy

ニュートリノレス二重ベータ崩壊にも大きなインパクト

特にinvertedなら発見のチャンス大発見に成功すればニュートリノはマヨラナ粒子！

Foreground removal

69

Delensingも含めて r=T/S=0.01なら対処できる。r=0.001を狙うためのスタディーが進行中（まずはPlanckの結果が重要）日本では服部さん（東北大）の「あかり」などを使う戦略があり

９０ＧＨｚレシーバーシステム

70

Phase I レシーバーシステム

Phase IIはより大口径 ~400モジュール~70W@20K

QUIET第 2 期実験の DAQ計画

• DAQシステムの特徴

–高エネルギー実験の DAQ と相似性が大きい。

­ 偏光計の全チャンネル数は約 12,800 と膨大である。

­ メインデータのほかにも複数のデータ源がある。

高エネルギー実験の DAQ の特徴大きな DAQ システム：必然的にスケーラビリティを意識して設計

→ システム開発・保守・拡張が容易

71

望遠鏡モニタ時計

環境モニタバイアス電圧

ADC system #1

ADC system #n

インテグレータ

DAQ マスター システムクロック系統

制御

モニタ読み出し

読み出し

読み出し制御

モニタ読み出し

ボード

ボード読み出し

ボード

ボード

ボード読み出し

ボード

…

QUIET第 2 期実験の DAQ計画

データ源読み出し

データ源読み出し

データ源読み出し

…

記録装置出力

• コンポーネント化された「データ源」の概念

• データ源インテグレータの導入

• 「DAQ マスター」による全体制御

• 独立したシステムクロック系統の導入

スケーラビリティの実現

記録装置

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要素開発: A-D 変換器

• KEKで開発した高密度でスケーラブルな A-D 変換器

子ボード 親ボード32 入力

32 入力

VME 6U サイズ

組みあがり

• 32 x 2 の差動アナログ入力コネク

タ。

• 64 個のA-D 変換チップ AD7674。

• Averaging と demodulation、および

VME バスとの通信を担う FPGASpartan-DSP XC3SD3400。

73

Observing Patches

QUIET 74