Cosmic Microwave Background (CMB)

観測と宇宙背景重力波

羽澄昌史（KEK）2010年6月14日

第8回DECIGOワークショップ

概要

1. ＣＭＢ偏光のサイエンス

2.測定原理

3.日本の取り組み（地上観測と衛星）

2010/6/14 第8回DECIGOワークショップ 2

自己紹介http://research.kek.jp/people/hazumi/

• 主な研究テーマ– 1993年以前 電子・陽子衝突実験ZEUS（ドイツ）

– 1994年 K中間子稀崩壊実験KTeV

– 1994-1999年Bファクトリー実験Belle・シリコンバーテックス検出器

– 1999-2001年Belle実験でCP対称性の破れ発見

– 2001-2007年Belle実験で標準理論を越えた物理の探索スーパーBファクトリーの物理研究

– 2005年：とあるきっかけでＣＭＢ偏光による超高エネルギー物理を志す

– 2008年以降KEK CMBグループ設立・観測開始 現在約20名のメンバー

2009/12/1

6-183東北大学集中講義

ＫＥＫで宇宙観測をする動機

「宇宙の背後にある法則を観測したい」

遥かなる宇宙のルールブック

葉書き一枚で書けると期待している（作業仮説）

4

ＣＭＢ周波数分布

6

COBE

160GHz

2.7250.002 K (1999)

完全なる黒体放射！（プランク分布）

ビッグバン宇宙論の予想に一致

7

CMB観測：過去の大事件

John C. Mather George F. Smoot

Discovery of the blackbody form and

anisotropy of the CMB (1992)

Discovery of CMB (1965)

COBE satelliteArno A. Penzias Robert W. Wilson

The Nobel Prize in Physics 1978

“excess noise” of 3.5K

(@ 7.35cm)

The Nobel Prize in Physics 2006

ＷＭＡＰ

8

圧倒的な解像度で

温度揺らぎを精密観測し

宇宙の謎の成分をあぶりだした。

ダークエネルギー

ダークマター

CMBによるインフレーションの検証

9

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, MAXIMA

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

ＣＭＢ今後の大目標：偏光Bモード

• CMB偏光マップは精密に観測されておらず、謎に包まれている

• CMB偏光測定は、インフレーション背景重力波（原始重力波）発見の

ベストな方法である

• 原始重力波の検出は、宇宙論、素粒子論双方に大きく寄与する

– 宇宙論：インフレーションの決定的な検証

– 素粒子：超高エネルギー（LHCの一兆倍）の物理

10

原始重力波 CMB偏光度マップ

W. Hu

et

al. a

stro

-ph

/0210096

パワースペクトル

Ｂモード

原始重力波検出

11

干渉計重力波探索との関係

12

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！

2010/6/14 第8回DECIGOワークショップ

13

偏光Bモードのパワースペクトル（予想）

W. Hu

et

al. a

stro

-ph

/0210096

Temperature Anisotropy

V1/4 = 1.1 1016 (r/0.01)1/4 GeV

~2deg

インフレーションエネルギーとBモード強度（r）が直接関係する！

inflation

potential

2010/6/14

rの制限

• 現在の観測による制限：– r < 0.20（95%C.L.）

– まだ間接的なリミットが勝っている。今後5年以内にＢモード直接観測が追い抜く。

• 理論予想– スカラー揺らぎの傾き(ns:

scalar spectral index)とrの間には関係がある

2010/6/14 第8回DECIGOワークショップ 14

Slow-Roll Consistency

E. Komatsu et al. 2010

(WMAP7+BAO+SN)

Single-field Slow-Rollだと r>0.01がfavorされる

量子重力理論の検証

15

探索領域

before

after(full success)

2010/6/14 第8回DECIGOワークショップ

CMB偏光観測実験の魅力

1. 宇宙創生に最も肉迫できる実験研究• 「我々が存在する」ことへのセンス・オブ・ワンダーを喚起

2. プランク・大統一スケールの超高エネルギー物理• インフレーションのエネルギースケール決定の可能性

3. 量子重力理論検証の道を拓く• 「不可能」とされてきた超弦理論のテストを可能にする

4. 原始重力波に加えて多彩なテーマがある• ニュートリノ質量、ダークエネルギー、重力パリティの破れなど

• 保証された発見：「重力レンズによるＢモード」

2010/6/14 16第8回DECIGOワークショップ

測定原理

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トムソン散乱

2010/6/14 第8回DECIGOワークショップ 18

e

g

x

y

z観測者

Isotropy

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e

g

x

y

z観測者

Quadrupole (temperature) Anisotropy

2010/6/14 第8回DECIGOワークショップ 20

e

g

x

y

z観測者

Hot

Hot

Cold

Cold

• Temperature anisotropy is symmetric under

parity transformation.

• Thomson scattering is also symmetric under

parity.

• No handedness is introduced so far.

2010/6/14 第8回DECIGOワークショップ 21

CMB B-mode polarization

22

E-modeB-mode

Scalar perturbationTensor perturbation

B-mode: Smoking gun signal of PGW

(PGW)

これまでの偏光観測のまとめ

2010/6/14 23第8回DECIGOワークショップ

直接観測による現在の制限r < 0.73

B mode上限（９５％CL）

E mode

観測装置の概要

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CMBフォトン

光学系

レシーバーシステム

クライオスタット

冷凍機システム

偏光計アレイ

読み出しエレクトロニクス

（DAQ)

システム制御

アンテナ

方向を制御

記録媒体

• アンテナ・光学系：ゆがみや交差偏波を最小にする

• 偏光計アレイ：光子ゆらぎ（ＣＭＢ＋環境）より小さなノイズ装置のエッセンス

衛星、気球、地上の得失

2010/6/14 25第8回DECIGOワークショップ

衛星 気球 地上

全天観測 ○ ○ ×

系統誤差の最小化 ○ × △

大気・地表の（無）影響 ○ △ △

長時間観測 ○ × ○

装置の修理 × × ○

予算 △ ○ ○

最新の偏光計アレイ × △ ○

今後5年間：地上の感度が最も高い（予想）

26

• 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、今なら、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（今後5年間の方針）

26

なぜ今、地上観測？

2010/6/14 第8回DECIGOワークショップ

超伝導検出器• インコヒーレント検出器の一種

• 究極の感度を実現

• アレイ化・信号多重化に適している今後の中心はこれ！

2010/6/14 第8回DECIGOワークショップ 27

TES

Transition Edge Sensor

ボロメータ

“Variable Registor”

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0.49 0.5 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57

T (Kelvin)

R (

Oh

m)

Bias point

転移温度付近での抵抗変化

STJ MKID

クーパー対破壊型

Superconducting

Tunnel Junction SensorMicrowave Kinetic

Inductance Detector“Photoconductor” “Variable Inductor”

超伝導体絶縁体超伝導体

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• 衛星でしか達成できない重要事項がある

– 全天の観測により、パワースペクトルの全貌を知る

– 重力レンズの影響が尐ない測定を行う

– 環境からの影響が尐ない測定を行う

• 具体的目標

– 地上でr>0のevidenceありパワースペクトル決定 （nTの測定！）

– 地上でrの制限のみ r<0.01の探索

28

なぜ10年後には衛星が必要？

2010/6/14 第8回DECIGOワークショップ

宇宙創生の物理を探求する上で必要不可欠な測定

日本の取り組み

2010/6/14 第8回DECIGOワークショップ 29

日本の取り組み

•QUIET 現在進行中

•POLARBEAR 準備中

•LiteBIRD 計画中

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３つのプロジェクトを推進

プロジェクト関係図

31

共同観測 経験・実績

観測：2008 ~ 2010, 2012 ~ 2014

観測：2010 ~ 2014

観測：2018 ~

2010/6/14 第8回DECIGOワークショップ

成熟した技術で早い実験開始 唯一40GHzを持つ地上実験

衛星につながる超伝導検出器 大きい(3.5m)望遠鏡で重力レンズに強い

POLARBEAR

QUIET

究極の原始重力波発見感度 日本主導（得意の小型化） 国際協力

LiteBIRDLiteBIRD

観測共同開発

137億年38万年

ダークエイジ 銀河形成・成長期

1億年

現在

宇宙の始まり

10億年宇宙年齢

インフレーション期 再結合期 宇宙再電離

Bモード偏光（重力波）

初代天体

原始赤外銀河

10-36秒

A03（JAXA・松浦）

CIRB観測

A05（KEK・小玉）

究極理論

科研費新学術領域研究（領域提案型）

背景放射で拓く宇宙創成の物理－インフレーションからダークエイジまで－

?

32

A01（KEK・羽澄）

CMB偏光Bモード測定

A04（東北大・服部）

前景放射分離宇宙マイクロ波背景放射（CMB）

宇宙赤外線背景放射（CIRB）

A02（理研・大谷）

超伝導検出器

平成21－25年度領域代表・羽澄（KEK）

ｈｔｔｐ://cbr.kek.jp/

2010/6/14 第8回DECIGOワークショップ

高エネルギー物理の技術とＣＭＢ観測

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RF simulation

Large data handling,

computing, analysisHEP @ KEK

CMB

Detector system

(DAQ, cryogenics,

mechanical engineering)

ＫＥＫの新しいクリーンルーム

金属の膜を作る装置Surface

profiler

AFM

蒸着装置絶縁体の膜を作る装置 膜を削る装置

クラス10000

クリーンルーム

Microscope

パターンを描く装置

クラス 1000 クリーンルーム

化学薬品を扱うための装置

LiteBIRDのための超伝導ミリ波カメラ開発

34

日本グループが参加する地上観測

35

QUIET POLARBEAR

Huan Tran Telescope

チリ・アタカマ高地（標高５０８０ｍ）４０GHｚ、９０GHz

９０，１５０，２２０GHｚ

偏光観測の例

検出器技術の向上地上でもＷＭＡＰよりはるかに高い偏光感度

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ＱＵＩＥＴ100時間未満のデータ

ＷＭＡＰ公開全データ

POLARBEAR Collaboration

37

5ヶ国（米加英仏日）、9 機関, 約40名による国際共同実験

University of California, Berkeley

Kam Arnold Daniel FlanniganWilliam HolzapfelJacob HowardZigmund KermishAdrian Lee (P.I.)Marius LunguMike Myers

Roger O'BrientErin QuealyChristian ReichardtPaul Richards Chase ShimminBryan SteinbachHuan Tran Oliver Zahn

Lawrence Berkeley National Lab.

Julian BorrillChristopher CantalupoTheodore Kisner

Eric Linder Helmuth Spieler

University of California, San Diego

David BoettgerBrian KeatingGeorge Fuller Nathan Miller

Hans PaarIan SchanningMeir Shimon

University of Cardiff

Peter Ade Carole Tucker

McGill University

Peter Hyland Matt Dobbs

University of Colorado

Aubra Anthony Nils Halverson

Laboratoire Astroparticule & Cosmologie

Radek StomporJosquin Errard

Imperial College

Andrew Jaffe Daniel O’Dea

KEK

Masashi HazumiAkie Shimizu

Haruki NishinoTakayuki Tomaru

2010/6/14 第8回DECIGOワークショップ

レシーバーシステム

2010/6/14 第8回DECIGOワークショップ 38

POLARBEAR‐I

焦点面と光学系を冷却 赤外線フィルターで熱侵入を防ぐ モジュレーション（半波長板など） 振動除去

(ベース温度：0.3K）

レシーバーの近況

•試験観測では、2枚のウェーハを使う（約360チャンネル） （本観測では7枚）•実験室での総合試験では既に期待通りのノイズレベルを達成

4月より全システムの検証のためにカリフォルニア州・Cedar Flatにおいて、望遠鏡に検出器、クライオスタットなどを組み込み、試験観測中

焦点面検出器

焦点面検出器がクライオスタットにインストールされた様子

39

偏光の向きを回転させるための半波長板（HWP）

読み出しのためのSQUID box

Pulse Tube Cooler（4K）

‘He10’ Sorption Cooler (0.3K)

NEP ～6 x 10-17 WHz-0.5

2010/6/14

POLARBEAR: Antenna-coupled Arrays

Lenslet

Antenna

Filter

8 cm

Bolometer

3.5”

• Monolithic wafer

– Scalable

– 1284 bolos (PB-I)

Saturn Coadded Beam Map

• Next steps

– Tau A (8%) polarized

– Galaxy, compare to WMAP 42

POLARBEAR－II

• KEKがレシーバーシステム製作担当

–低温部（100mK）はKEK低温センターと筑波大

– JAXAのX線天文グループとの技術提携

• 検出器はバークレイの二色TES（90, 150GHz）

–実効ピクセル数＝3038

• 2013年搭載予定

2010/6/14 第8回DECIGOワークショップ 43

2010/6/14 第8回DECIGOワークショップ 44

~40cm

実験屋から見たプロジェクト成功のキモは何か？

2010/6/14 45第8回DECIGOワークショップ

• 最終的に立ちはだかるのは前景放射

• 、、、と立証するまでが決して楽ではない：装置に起因する系統誤差との戦い

設計段階から系統誤差を詳細に把握することがプロジェクト成功のキモ

LiteBIRDとは.

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

Inflation from cosmic background Radiation Detection

サイエンス： インフレーションのエネルギースケール決定

「ビッグバンの前を探る」 2008年9月に小型科学衛星WGとして承認

宇宙空間における１００GHzを中心としたCMB偏光全天観測

特長：「究極の測定」を小型で実現（高い角度分解能は必要ない）

LiteBIRDワーキンググループメンバー

福家英之、松原英雄、満田和久、吉田哲也（ISAS/JAXA）、

篠崎慶亮、佐藤洋一、杉田寛之（ARD/JAXA）、

石野宏和、樹林敦子、服部香里、三澤尚典、美馬覚（岡山大理）、

松村知岳（Caltech）、 Planck, BICEP, EBEX

William Holzapfel、Bradley Johnson、Adrian Lee、 Paul Richards、Aritoki Suzuki、Huan Tran(UC Berkeley/LBNL）、 POLARBEAR, EBEX, APEX, EPIC, BICEP, SPT

Julian Borrill (LBNL)、 Planck

大田泉（近畿大）、

吉田光宏（加速器/KEK）、

片山伸彦、佐藤伸明、住澤一高、田島治、西野玄記、羽澄昌史、長谷川雅也、樋口岳雄（IPNS/KEK）、 QUIET, POLARBEAR

柳沼えり（総研大） 、

高田卓（筑波大） 、

木村誠宏、鈴木敏一、都丸隆行（低温セ/KEK）、 POLARBEAR

小松英一郎（UT Austin）、 WMAP

鵜澤佳徳、関本裕太郎、野口卓（ATC/NAOJ）、

茅根裕司、服部誠（東北大理）、

大谷知行（理研）

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

４１名２００９年１２月３１日現在

SPICA、DIOS、大気球

ALMA

LiteBIRD: プロジェクトマネジメントに関する進展

1. 日本物理学会・宇宙線宇宙物理領域「宇宙背景輻射」セッション誕生（２００９年３月）

2. 平成２１－２５年度科研費新学術領域研究（研究領域提案型）「背景放射で拓く宇宙創成の物理―インフレーションからダークエイジまで―」採択 （２００９年７月）– メインは地上でサイエンスの結果を出すこと

– LiteBIRDに関しては基礎的試作の経費（特に焦点面検出器）

3. 前哨戦としての地上CMB実験（QUIET、POLARBEAR）– 要素技術の実証

– 系統誤差の徹底理解

4. 他プロジェクトとの技術的連携 相乗効果・波及効果– DIOS： 冷凍機システムなど

– ASTE： TESボロメータ読み出しシステムなど

5. 日本学術会議「天文学・宇宙物理学の展望と長期計画」において言及

6. 2010年6月7－9日：ＣＭＢワークショップ（＠国立天文台）

482010/6/14 第8回DECIGOワークショップ

Strawman Design

軽量化のカギは2点１）SPICAタイプの予冷系２）多色焦点面

ボロメータ

Development at UC Berkeley

A. Lee, R. O’Brient, A. Suzuki~30cm

lenslets

O ＞１０００個のアンテナ結合型TESボロメター

PolarBearで使用される検出器と同じ技術

T

R

Talk by Adrian Lee on Wednesday, 9:30am-, for more details.

前景放射の分離

シミュレーションスタディの（暫定）結論：６０GHｚ－２５０GHｚをカバーすればよい

CMB

ダスト熱放射

シンクロトロン放射

LiteBIRDの感度

52

(LiteBIRD)

理論予想例Pagano-Cooray-Melchiorri

-Kamionkowski 2007

LiteBIRDについては統計誤差のみ

ＣＭＢ衛星観測

2010/6/14 第8回DECIGOワークショップ 53

COBE

（１９８９－１９９３）

WMAP

（２００１－）

Planck

（２００９－）

LiteBIRD (日本）：小型衛星EPIC（米国）：中・大型衛星B-Pol（ヨーロッパ）：小型衛星

（～２０２０－）

温度観測が主目標

偏光観測が主目標

まとめ

1. CMB偏光観測実験は宇宙創生に最も肉迫できる実験研究。

2. 超高エネルギーのユニークなプローブとして高エネルギー物理にとって重要。

3. 観測原理は電波天文が基盤。しかし、ナノケルビンを達成するために、独自の技術が発展している。

4. 比較的小規模の実験が複数存在。日本グループは、今後5年間は国際協力でチリでの観測（QUIET、POLARBEAR）を推進。

5. 今後5年間で重力レンズBモードは発見されるだろう。原始重力波の発見のチャンスも十分にある。

6. 10年後に向けた衛星(LiteBIRD）のスタディもはじまっている。素粒子と

宇宙の双方にとって重要な中規模のプロジェクトとして、幅広い関連分野の研究者が活躍できる。

2010/6/14 54第8回DECIGOワークショップ