[論文レビュー] QUBIC Technical Design Report

J. Aumont, Stefano Banfi+97 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2016

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 12被引用数 11

ひとこと要約

QUBICは、宇宙背景放射（CMB）における原始的Bモード偏光を検出するための地上ベースのボロメトリック干渉計であり、インフレーションを調査する。150 GHzおよび220 GHzでの遷移端センサと干渉計モードを組み合わせることで、背景制限感度と自己キャリブレーションを達成し、2年間の観測でテンソル対スカラー比の不確実性σ(r) = 0.02を達成する予想であり、二重周波数運用による強力な前景除去が可能である。

ABSTRACT

QUBIC is an instrument aiming at measuring the B mode polarisation anisotropies at medium scales angular scales (30-200 multipoles). The search for the primordial CMB B-mode polarization signal is challenging, because of many difficulties: smallness of the expected signal, instrumental systematics that could possibly induce polarization leakage from the large E signal into B, brighter than anticipated polarized foregrounds (dust) reducing to zero the initial hope of finding sky regions clean enough to have a direct primordial B-modes observation. The QUBIC instrument is designed to address all aspects of this challenge with a novel kind of instrument, a Bolometric Interferometer, combining the background-limited sensitivity of Transition-Edge-Sensors and the control of systematics allowed by the observation of interference fringe patterns, while operating at two frequencies to disentangle polarized foregrounds from primordial B mode polarization. Its characteristics are described in details in this Technological Design Report.

研究の動機と目的

• 宇宙インフレーションの決定的証拠である原始的Bモード偏光をCMBで検出可能な地上観測装置を開発すること。
• Bモード信号を汚染する装置系系差および偏光前景（例：ダスト）の課題に対処すること。
• 遷移端センサを用いて背景制限感度を達成するとともに、干渉計モードによる位相変調でシステム系差を制御すること。
• 光化学エッチングとミリングを用いたプロトタイピングにより、大規模なホーンアレイのスケーラビリティと技術的実現可能性を示すこと。
• 90、150、220 GHzで動作する複数モジュールを備えた将来のステージIV CMB偏光実験の基盤を築くこと。

提案手法

• QUBICは、背景制限感度を実現するための遷移端センサ（TES）を用いたボロメトリック干渉計設計を採用する。
• 150 GHzおよび220 GHzでの二重周波数観測戦略により、原始的Bモードと偏光前景を分離する。
• 位相シフト器と固定遅延ラインを備えたマハーズェンダー型干渉計を実装し、干渉縞を生成する。
• ホーンフィードアレイはプレートレット技術を用い、光化学エッチングとミリングで製造され、材料厚さの±10%の精度を達成する。
• 光路差の変調により自己キャリブレーションが可能となり、装置系差を現地で測定・補正できる。
• 冷却システムには1Kボックスとサブケルビン系が含まれ、TESおよびボロメータがミリケルビン温度を維持できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボロメトリック干渉計は、CMBにおける原始的Bモードを検出するのに必要な感度とシステム系差制御を達成できるか？
• RQ2 150 GHzおよび220 GHzでの二重周波数運用は、Bモード測定における前景汚染をどの程度効果的に低減できるか？
• RQ3 大規模ホーンアレイにおける製造公差が電磁特性およびシステム系差に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 光化学エッチングを用いたプレートレット製造技術は、低コストでサブミリメートル精度の複雑なホーン形状を信頼性高く製造できるか？
• RQ5 QUBICのテンソル対スカラー比rに対する予想感度は何か？2年間の連続観測でσ(r) = 0.02を達成できるか？

主な発見

• QUBICはアルト・チョリージョス（アルゼンチン）で2年間連続観測した場合、テンソル対スカラー比の保守的不確実性σ(r) = 0.02を達成すると予想される。
• ホーンプレートレットのメタロロジカル測定では、名目寸法からの相対的偏差が≤0.5%であり、設計で補正可能な系差トレンドを示した。
• 穴の中心位置のずれは10–20 µm r.m.s.以内に収まっており、観測波長の2次元以上小さいため、性能にほとんど影響しないと予想される。
• シミュレーションにより、ホーンのコーナーにわずかな欠け（cusp）がある場合でも、リターンロスやビームパターンに顕著な影響がないことが確認された。
• プロトタイピングにより、高精度かつ低コストで大規模かつ複雑なホーンアレイをプレートレット技術で製造可能なスケーラビリティが実証された。
• 二重帯域運用により、原始的Bモードと偏光前景の効果的分離が可能となり、システム系差の制御が著しく向上した。