[論文レビュー] CLOVER - A new instrument for measuring the B-mode polarization of the CMB

Angela C. Taylor, A. Challinor+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2004

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 11

ひとこと要約

CLOVERは、南極ドームCで宇宙背景放射のBモード偏光を測定することを目的とした3台の望遠鏡からなるミリ波帯の装置であり、各望遠鏡に128個のバックグラウンド制限を受けたTESボロメータを搭載し、90、150、220 GHzで観測を行う。この装置は重力波信号に対するレンズ効果による混乱に制限を受ける感度を達成し、ℓ = 20–1000の範囲でテンソル対スカラー比の検出限界をr ≈ 0.005にまで低下させる。

ABSTRACT

We describe the design and expected performance of Clover, a new instrument designed to measure the B-mode polarization of the cosmic microwave background. The proposed instrument will comprise three independent telescopes operating at 90, 150 and 220 GHz and is planned to be sited at Dome C, Antarctica. Each telescope will feed a focal plane array of 128 background-limited detectors and will measure polarized signals over angular multipoles 20 < l < 1000. The unique design of the telescope and careful control of systematics should enable the B-mode signature of gravitational waves to be measured to a lensing-confusion-limited tensor-to-scalar ratio r~0.005.

研究の動機と目的

• 宇宙インフレーション期に生成された重力波によって引き起こされる原始的Bモード偏光を検出すること。
• μK未満のレベルのBモード振幅を測定するにあたり、極めて高い感度とシステムティックな課題を克服すること。
• システムティックを最小限に抑え、スペクトル的差分処理により前景を除去することで、レンズ効果による混乱に制限を受ける感度を達成すること。
• 高高度・乾燥した観測地点に、多周波数・多望遠鏡アレイを設置し、最適な観測条件を実現すること。
• テンソル対スカラー比rの検出を通じて、インフレーションモデルの決定的検証を可能にすること。

提案手法

• CLOVERは、銀河系の前景を分離するために、90、150、220 GHzで動作する3台の独立した望遠鏡を用いる。
• 各望遠鏡は、4つの共焦点の光学アセンブリを備え、それぞれが8×8のフィードホーンアレイを有し、合計256個のホーンを有するが、同時に観測されるピクセルは64個に限定される。
• 偏光は、可動部が不要な位相変調を用いた疑似相関受信機により測定され、ストークスパラメータQとUが抽出される。
• 位相変調方式により、QとUが即座に測定可能であり、同時に対象の強度Iは望遠鏡の走査により測定される。
• 4つの光学アセンブリで共通するピクセルからの信号は、非同相的に加算され、300 mKで動作する電圧バイアス型遷移端エッジセンサー（TES）で検出される。
• TES検出器は周波数多重化により読み出され、1つのSQUIDに8個の検出器が接続され、高いダイナミックレンジと低ノイズ動作が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多周波数・多望遠鏡のCMB偏光計は、原始的Bモード偏光を検出するために必要な感度とシステムティックの制御を達成できるか？
• RQ2 ドームCに設置された地上型装置で、得られる最小検出可能なテンソル対スカラー比rはどの程度か？
• RQ3 多周波数観測を用いることで、銀河系放射による前景汚染はどの程度効果的に除去できるか？
• RQ4 弱い重力レンズ効果によるEモードの歪みが、原始的Bモード信号の検出にどの程度制限を及えるか？
• RQ5 共焦点の光学アセンブリを備えたコンactで回転する望遠鏡設計は、システムティックの補正と天の川カバー密度の向上にどの程度寄与するか？

主な発見

• CLOVERは、レンズ効果によるサンプル分散に制限を受けるが、テンソル対スカラー比の1σ検出限界をr ≈ 0.0037まで達成すると予想される。
• 前景除去後の装置の有効感度は、ストークスパラメータQとUについて、15アングストローム分の分解能要素あたり約0.24 μKである。
• 前景除去後の熱雑音寄与は、1つの分解能要素あたり0.24 μKと予想され、そのうち0.1 μKはレンズ効果によるBモード、0.3√r μKは原始的重力波に起因する。
• ドームCでの2年間の観測キャンペーンでは、CLOVERはℓ = 20–1000の多重極範囲でBモードパワースペクトルを、レンズ効果による混乱に制限を受ける感度で測定可能である。
• 光学構造の回転により、システムティックの相互検証が可能となり、校正と天の川カバー密度の向上が図られる。
• 装置の性能は機器ノイズに制限を受けるのではなく、Eモードパワーの固有のレンズ効果による混乱に起因し、r検出の最終的な感度の下限を規定する。