[論文レビュー] Measuring the Cosmic Microwave Background Radiation (CMBR) polarization with QUIET

Dorothea Franziska Elisabeth Samtleben|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 18

ひとこと要約

QUIETは、90 GHzおよび40 GHzのコherent HEMTベースの受信機アレイを用いた地上ベースのCMB偏光実験を提案する。EモードおよびBモードの非一様性を高い感度とシステムティクス制御で測定することを目的としている。二重周波数観測、1000要素へのアレイスケーリング、および同時Q/U測定を活用することで、テンソル対スカラー比rを約10⁻²に制限し、GUTスケールに近いインフレーション物理学を探索する。

ABSTRACT

A major goal of upcoming experiments measuring the Cosmic Microwave Background Radiation (CMBR) is to reveal the subtle signature of inflation in the polarization pattern which requires unprecedented sensitivity and control of systematics. Since the sensitivity of single receivers has reached fundamental limits future experiments will take advantage of large receiver arrays in order to significantly increase the sensitivity. Here we introduce the Q/U Imaging ExperimenT (QUIET) which will use HEMT-based receivers in chip packages at 90(40) GHz in the Atacama Desert. Data taking is planned for the beginning of 2008 with prototype arrays of 91(19) receivers, an expansion to 1000 receivers is foreseen. With the two frequencies and a careful choice of scan regions there is the promise of effectively dealing with foregrounds and reaching a sensitivity approaching 10$^{-2}$ for the ratio of the tensor to scalar perturbations.

研究の動機と目的

• 原始CMB偏光信号、特にインフレーション由来のBモード信号を検出するために、類稀な感度とシステムティクス制御を実現するCMB偏光測定を目的とする。
• 高周波（90 GHz）と低周波（40 GHz）の観測を組み合わせることで、r ≈ 10⁻²に近い感度を達成し、GUTスケールのインフレーションに対応する。
• チップ統合型疑似相関放射計器を用いた大規模コherent受信機アレイの開発および展開により、単一受信機の感度限界を克服する。
• 同時にQおよびUストークスパラメータを測定することで、1/f増幅器のドリフトを低減し、高速位相スイッチングとノイズデータモニタリングを組み合わせてシステムティクスを最小限に抑える。
• コherent検出器を用いることで、Planckやボロメトリック実験を補完し、異なる望遠鏡サイズによるマルチスケールの角分解能を実現する。

提案手法

• 90 GHz（Wバンド）および40 GHz（Qバンド）周波数の両方の周波数帯で、コンactチップパッケージのHEMTベースの疑似相関放射計器を用いる。
• 銀河系フォアグラウンド（シンクロtron放射およびダスト）をCMB原始信号から区別・差し引くために、二重周波数観測戦略を採用する。
• アタカマ砂漠の1.4 m望遠鏡に、91（90 GHz）および19（40 GHz）の受信機を有するプロトタイプアレイを設置し、1000要素への拡張を計画している。
• 直交モード変換器（OMT）およびフィードホーンを用いて直交偏光状態を分離し、チップ上にMMICベースの放射計器に信号を供給する。
• 1/f増幅器のドリフトを低減するため、高速（4 kHz）位相スイッチングを実施し、位相同期および逆位相同期のデモジュレーションをデジタルバックエンド処理に組み込むことで、システムティクス誤差を検出可能にする。
• 受信機を20 Kで冷やしたクライオスタットに設置することで、HEMTの雑音を最小限に抑え、90 GHzで45 K、40 GHzで20 Kの目標雑音温度を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コherent HEMTベースの受信機アレイは、r ≈ 10⁻²に近いレベルでの原始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クス制御を達成できるか？
• RQ2 90/40 GHzの二重周波数観測は、CMB偏光測定における銀河系フォアグラウンド汚染をどの程度効果的に低減できるか？
• RQ3 同時にQおよびUを測定することで、CMB実験におけるシステムティクス誤差のモニタリングおよびキャリブレーションがどの程度向上するか？
• RQ4 QUIETのテンソル対スカラー比rに対する期待される感度は何か？また、Planckや他の実験と比較してどうなるか？
• RQ5 1000要素へのアレイスケーリングに加え、マルチスケールの望遠鏡展開を組み合わせることで、Bモード検出のための角分解能および信号対雑音比が著しく向上するか？

主な発見

• 91（90 GHz）および19（40 GHz）の受信機を備えたQUIETフェーズIでは、ΛCDMモデルと整合的で、Eモードパワースペクトルを類稀な精度で測定できると予想される。
• QUIETマップの期待されるホワイトノイズレベルは、地上アレイの高い感度のおかげで、Planckの約10分の1に低下する。
• フェーズIIで1000要素アレイを導入すると、テンソル対スカラー比rの5σ上限を0.009まで制限でき、GUTスケールのインフレーションのターゲット感度に近づく。
• QUIETフェーズIのデータをWMAPに加えることで、特にrおよびτに関して、Planckの期待される精度に匹敵する宇宙論的パラメータの制約が得られる。
• QUIETのコherent検出器と同時にQ/Uを測定する方式により、ボロメトリック実験では得られない独自のシステムティクスモニタリング能力が実現される。
• 異なる望遠鏡サイズを用いることで、大規模（l ≈ 100）および小規模（1度未塔）の特徴を測定する設計となっており、角動的範囲が拡大される。