[論文レビュー] Detecting the B-mode Polarisation of the CMB with Clover

Christopher E. North, Bradley R. Johnson+42 more|ArXiv.org|May 23, 2008

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 4

ひとこと要約

Cℓoverは、192個のTESボロメータを100 mKに冷却し、3つの周波数帯（97、150、225 GHz）で運用する地上型CMB実験であり、原始的重力波がもたらしたBモード偏光を検出することを目的としている。回転する半波プレートとコンactレンジアンテナを用いることで、バックグラウンド制限の感度を達成し、テンソル対スカラー比r = 0.026の3σ制約を可能にし、10¹⁶ GeVのエネルギースケールでのインフレーションを探査する。

ABSTRACT

We describe the objectives, design and predicted performance of Clover, which is a ground-based experiment to measure the faint ``B-mode'' polarisation pattern in the cosmic microwave background (CMB). To achieve this goal, clover will make polarimetric observations of approximately 1000 deg^2 of the sky in spectral bands centred on 97, 150 and 225 GHz. The observations will be made with a two-mirror compact range antenna fed by profiled corrugated horns. The telescope beam sizes for each band are 7.5, 5.5 and 5.5 arcmin, respectively. The polarisation of the sky will be measured with a rotating half-wave plate and stationary analyser, which will be an orthomode transducer. The sky coverage combined with the angular resolution will allow us to measure the angular power spectra between 20 < l < 1000. Each frequency band will employ 192 single polarisation, photon noise limited TES bolometers cooled to 100 mK. The background-limited sensitivity of these detector arrays will allow us to constrain the tensor-to-scalar ratio to 0.026 at 3sigma, assuming any polarised foreground signals can be subtracted with minimal degradation to the 150 GHz sensitivity. Systematic errors will be mitigated by modulating the polarisation of the sky signals with the rotating half-wave plate, fast azimuth scans and periodic telescope rotations about its boresight. The three spectral bands will be divided into two separate but nearly identical instruments - one for 97 GHz and another for 150 and 225 GHz. The two instruments will be sited on identical three-axis mounts in the Atacama Desert in Chile near Pampa la Bola. Observations are expected to begin in late 2009.

研究の動機と目的

• 宇宙インフレーション期に生じた原始的重力波がもたらした微弱な原始的Bモード偏光信号を検出すること。
• 現在の制限を20倍改善し、3σでテンソル対スカラー比rを0.026まで制約すること。
• 大規模構造に起因する重力レンズ効果がもたらすBモード信号を測定すること。
• 複数の周波数帯域で、シンクロtron放射およびダスト放射などの偏光性銀河系前景を同定すること。
• 高速アゼイムススキャンと望遠鏡の軸方向回転を含むモジュレーション技術により、系の系誤差を低減すること。

提案手法

• 2台の同一で共通に設置された望遠鏡を用い、2ミラー式コンパクトレンジアンテナとプロファイル加工されたコーナーhornを介して、100 mKに冷却された192個の単一偏光TSEボロメータに信号を供給する。
• 偏光は回転する非色収差半波プレート（AHWP）と固定された直交モードトランスデューサ（OMT）を用いて測定され、スカイ信号のモジュレーションにより、真の偏光と系誤差を分離可能となる。
• 97 GHzの装置と150/225 GHzの装置は、大気透過に最適な4.9 kmの高度にあるチリのパンマ・ラ・ボラに設置されている。
• 検出器アレイは、SQUIDマルチプレクサを用いた時間領域冷温マルチプレクシングにより読み出され、合計576個のTESボロメータからの信号を効率的に読み取る。
• 系誤差は、AHWPを約5 Hzで回転させ、高速アゼイムススキャンを実施し、定期的に望遠鏡を軸方向に回転させることで抑制される。
• 97、150、225 GHzにおける分解能7.5、5.5、5.5 arcminの角分解能により、20 < ℓ < 1000の範囲でCMBの角スペクトルを測定可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上型CMB実験は、テンソル対スカラー比r = 0.026の原始的Bモード信号を検出するのに必要な感度を達成できるか？
• RQ2 回転する半波プレートと望遠鏡の軸方向モジュレーションを用いることで、機器的系誤差はどれほど効果的に低減できるか？
• RQ3 重力レンズ効果と銀河系前景（ダストおよびシンクロtron放射）が観測されたBモードパワースペクトルに与える寄与は何か？
• RQ4 97、150、225 GHz帯域におけるスペクトル的利得を活用することで、CMBと前景信号の分離は効果的に行えるか？
• RQ5 大気および機器ノイズがBモード信号への最終的感度に与える影響は何か？

主な発見

• Cℓoverは、すべての3つの周波数帯でバックグラウンド制限の感度を達成し、テンソル対スカラー比r = 0.026の3σ制約を可能にした。
• 97、150、225 GHzにおける7.5、5.5、5.5 arcminの角分解能により、20 < ℓ < 1000の範囲でCMBの角スペクトルを測定可能である。
• 広帯域アンチリフレクションコーティングを施した非色収差半波プレート（AHWP）を用いることで、周波数帯域全域で高い透過率と低い不純正偏光が確保された。
• AHWPを約5 Hzで連続回転させ、高速アゼイムススキャンと定期的な軸方向回転を実施することで、系誤差が低減され、機器の偏光および利得変動への感度が低下した。
• マイクロストリップ結合型TESボロメータと統合されたOMTを1枚のチップ上に実装した焦点面設計により、クロス偏光が-38 dB未満の高精度な偏光測定が可能となった。
• 97 GHzの観測は2009年末に開始され、150/225 GHzの観測は2010年中ごろに開始され、約1000 deg²の天の川領域がカバーされる予定である。