[論文レビュー] QUIET - Measuring the CMB polarization with coherent detector arrays

Dorothea Franziska Elisabeth Samtleben|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

QUIETは、40 GHzおよび90 GHzのコherent検出器アレイを用いた地上ベースのCMB偏光実験を提案し、EモードおよびBモードの非等方性を測定するための前例のない感度を達成する。疑似相関受信機をコンactなチップパッケージに実装し、位相スイッチングとデジタルデモジュレーションを活用することで、r ∼ 10⁻²のテンソル対スカラー比を持つ原始的重力波を検出することを目的とし、l ≈ 100におけるBモードピークをターゲットとする。

ABSTRACT

The footprint of inflation in the polarization pattern of the CMB is expected at more than an order of magnitude below the limits of current polarization measurements. Large receiver arrays are mandatory for achieving the required sensitivity. We describe here the approach of the Q/U Imaging ExperimenT (QUIET) which will use coherent detector arrays. Pseudo-correlation receivers have been produced at 40 (90) GHz in small massproducable chip packages. Deployment of the first arrays with 19 (91) receivers is taking place in 2008 in the Atacama Desert in Chile and an expansion to $\sim$1000 receivers is foreseen for the future. The two frequencies and the selection of observing regions with minimal foreground and good overlap with other upcoming experiments will enable the detection of tensor to scalar ratios $r\sim10^{-2}$.

研究の動機と目的

• 大規模なコherent検出器アレイを用いて、宇宙マイクロ波背景（CMB）偏光を高い感度で測定すること。
• 原始的重力波に由来するBモード偏光パターンを検出することで、宇宙インフレーションの直接的証拠を提供すること。
• 現在の測定値を下回る感度限界を達成し、r ∼ 10⁻²のテンソル対スカラー比をターゲットとすることで、既存の上限値を著しく改善すること。
• コherent技術を用いたストークスパラメータQおよびUの二重偏光測定により、システムティクスを最小限に抑えること。
• 他の実験と連携して観測を行い、効果的なforeground除去と結果の相互検証を可能にすること。

提案手法

• InP HEMTモノリシックマイクロ波集積回路（MMICs）に基づく疑似相関受信機を、コンactで大量生産可能なチップパッケージに実装する。
• 4 kHzの位相スイッチングを用いてアンプの1/fノイズを低減し、偏光測定のSNRを向上させる。
• 直交モードコンバータ（OMTs）とコーナー加工されたフィードホーンアレイを用いて、入射放射を直交する偏光に効率的に結合する。
• FPGAベースの電子回路によるデジタルデモジュレーションを適用し、柔軟なデータ処理、直交デモジュレーション、リアルタイムのシステムティクスモニタリングを可能にする。
• マジックTカップラを用いた差動全電力測定を組み込み、温度およびforegroundの特徴を特定可能にする。
• チリのアタカマ砂漠に5080 mの高度に設置された1.4 m望遠鏡を用い、地面からの干渉を抑えるためにエコソーブル被膜を施した地面シールドを設置する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コherent検出器アレイは、原始的重力波に由来する微弱なBモード偏光信号を測定するのに必要な感度を達成できるか？
• RQ2 EモードおよびBモードパワー スペクトルへの感度を最大化すると同時にシステムティクスを最小限に抑えるために、受信機アレイの最適な構成は何か？
• RQ3 位相スイッチングとデジタルデモジュレーションは、低ノイズアンプシステムにおける1/fノイズ低減と信号忠実度向上にどのように寄与するか？
• RQ4 他の実験と連携した観測戦略と多周波数観測により、foreground汚染はどの程度低減可能か？
• RQ5 r ∼ 10⁻²のテンソル対スカラー比感度を達成できるか。これは、現在の限界を超えてインフレーション時代を調査するのに十分な感度である。

主な発見

• 19要素の40 GHzアレイは2008年6月に設置予定であり、91要素の90 GHzアレイは2008年末までに設置予定である。
• 50要素のWバンドアレイを用いた第1フェーズでは、Eモードパワー スペクトルの測定感度が、前例のない高精度で達成された。
• 最大1000個の受信機への拡張が予想され、QUIETはr ∼ 10⁻²のBモードを検出可能な感度レベルに到達すると予想される。これは、インフレーションBモード信号のピーク（l ≈ 100）をターゲットとしている。
• コherent検出を用いたQおよびUの同時測定により、内部のシステムティクスチェックが可能となり、データの信頼性が向上する。
• 他の実験（例：Polarbear、Clover、Ebex）と連携した観測により、効果的なforeground除去が可能となり、宇宙論的パラメータの制約が強化される。
• FPGAを用いたデジタルデモジュレーションパイプラインにより、リアルタイムのノイズモニタリングと最適なマップ作成が可能となり、システムティクスが低減され、パワー スペクトル推定の精度が向上する。