[論文レビュー] A New Upper Limit on the Polarization of the Cosmic Microwave Background Radiation

C. O’Dell|ArXiv.org|Jan 15, 2002

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 68被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、ウィスコンシン大学マディソン校で実施された地上実験を用いて、大規模な宇宙マイクロ波背景放射（CMB）偏光に対する新しい上限を提示している。古い技術と最適でない観測地点を用いても、EモードおよびBモード偏光の両方で95%信頼区間の上限が10 μKに達し、Bモードがゼロであると仮定すれば8 μKにまで低下した。これは、将来の高感度ミッションの開始前に記録された最もきびしい制約である。

ABSTRACT

The Cosmic Microwave Background Radiation (CMB) is an invaluable probe of the conditions of the early universe. Recent measurements of its spatial anisotropy have allowed accurate determinations of several fundamental cosmological parameters, such as the curvature of the universe, the shape of the spectrum of primordial density fluctuations, and the contribution of baryons, dark matter, and dark energy to the overall energy density of the universe. In addition to being spatially non-uniform, the CMB is theorized to be slightly polarized. Measurements of this polarization, particularly at large angular scales, have the potential to provide information on primordial gravitational waves, theories of inflation, and the ionization history of the universe, as well as help further constrain cosmological parameters. Polarization has not yet been detected in the CMB. This thesis describes a recent search for CMB polarization at large angular scales, conducted in the spring of 2000 at the University of Wisconsin-Madison. After a general introduction on both CMB polarization and general microwave polarimetry, details of the experiment itself are given, as well as a full description of the data selection and analysis techniques. Using these techniques, our data lead to a new upper limit on CMB polarization at large angular scales of 10 $μ$K in both E- and B-type polarization at 95% confidence. If B-polarization is assumed to be zero, the limit for E-type polarization is lowered to 8 $μ$K. This experiment is the first of a new breed of highly-sensitive instruments that will one day map out this interesting property of the Cosmic Microwave Background Radiation.

研究の動機と目的

• 地上のマイクロ波偏光計を用いて、大規模な宇宙マイクロ波背景放射（CMB）偏光に対する新しい上限を設定すること。
• 特に初期宇宙の重力波とインフレーションに関連する宇宙論的パラメータの制約を、偏光測定によって改善すること。
• 最適化されたデータ解析を用いた単一受信機システムによる高感度CMB偏光測定の可能性を実証すること。
• 本物の観測データを用いてデータ選別および解析手法の妥当性を検証することで、将来的なマルチピクセル・マルチバンド実験の基盤を築くこと。
• 予想される信号振幅が低いために厳しいが、温度-偏光相関を用いて、よりきびしい上限を設定する可能性を検討すること。

提案手法

• ウィスコンシン大学マディソン校で2000年春に、2.6 mの一次アンテナを備えた単一アンテナ型偏光計（POLAR）を用いて、地上CMB偏光調査を実施した。
• 冷却されたHEMT受信機を用い、Kaバンド（27–35 GHz）で動作させ、システム温度を低減し感度を向上させた。
• 時間順序データを用いたキャリブレーション、不良データのフラグ付け、ノイズの特徴抽出を含む、包括的なデータ選別および解析パイプラインを適用した。
• コレスキー分解を用いて尤度関数を効率的に計算し、共分散行列の逆行列を求める際に数値誤差を低減するとともに、計算速度を向上させた。
• 放射計方程式と完全なノイズ共分散モデルを用いた尤度解析により、偏光振幅の信頼区間を導出した。
• 等方性とガウスノイズを仮定して、EモードおよびBモード偏光パワー スペクトルを独立して評価し、95%信頼区間における上限を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一受信機を用いた地上実験で、大規模なCMB EモードおよびBモード偏光に対して達成可能な最もきびしい上限は何か？
• RQ2 データ選別およびノイズモデリング手法は、CMB偏光上限の感度と信頼性にどのように影響するか？
• RQ3 予想される信号振幅が1 μK未満であっても、温度-偏光相関を用いてCMB偏光に対してよりきびしい上限を設定できるか？
• RQ4 ホワイトマウンテンやアタカマ砂漠のような高高度・低ノイズの観測地点に移転することで、感度にどの程度の向上が見込まれるか？
• RQ5 将来的なマルチピクセル・マルチバンドシステムは、特にBモード検出において、現在の上限をどの程度まで改善できるか？

主な発見

• この実験により、EモードおよびBモード両方の偏光成分について、大規模なCMB偏光に対する95%信頼区間の上限が10 μKに達した。
• Bモード偏光がゼロであると仮定した場合、Eモード偏光の上限は8 μKにまで低下し、簡略化されたモデル下での感度向上を示した。
• 古くなった技術と非最適な観測地点を用いても、適切に設計されたデータ解析パイプラインにより、最先端の上限を達成できることを実証した。
• 共分散行列の逆行列計算における数値的安定性と計算効率を著しく向上させるために、コレスキー分解を尤度評価に用いた。
• 今後の実験で同様の手法を高高度の観測地点に適用すれば、感度を約0.5 μKまで向上させられ、本研究の20倍の改善が見込まれる。
• 著者らは、将来的なマルチピクセル・マルチバンドシステム（例：アップグレード版POLAR-COMPASSプロジェクト）がCMB偏光の検出に強く期待できると予想している。