[論文レビュー] The BRAIN experiment, a bolometric interferometer dedicated to the CMB B-mode measurement

R. Charlassier|arXiv (Cornell University)|May 29, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

BRAIN実験は、準光学的ビーム結合と位相シフト多重化を用いたボロメトリック干渉計を提案し、CMB Bモード信号を介して原始的重力波を検出する。南極のドームCでの1年間の観測データと9つのモジュールを用いて、テンソル対スカラー比 r = 0.01 を 4σ の有意水準で制約することを目的としている。

ABSTRACT

We present the BRAIN Experiment, a project of B-mode experiment using a novel technology, bolometric interferometry. This technique is a promising alternative to direct imaging experiments since it combines the advantages of interferometry in terms of systematic effects handling and those of bolometry in terms of sensitivity. We briefly introduce some of the bolometric interferometry key concepts and difficulties. We then give the specifications of the BRAIN future detector. A first module of the final instrument is planned to be installed at Dome C in 2010. We hope to constrain a tensor to scalar modes ratio of 0.01 with nine modules and one effective year of data. BRAIN is a collaboration between France, Italy and United Kingdom.

研究の動機と目的

• 微弱なCMB Bモード信号を検出するという極めて困難な実験的挑戦に取り組み、これが原始的重力波を調べる上で不可欠である。
• ビームの不一致、ゲインエラー、偏光カップリングといった、直接撮像実験に悩まされる系誤差を克服する。
• ボロメトリック感度と干渉計の系誤差制御を組み合わせた、Bモード検出に高い感度を実現する革新的な干渉計技術を開発する。
• ドームCでのプロトタイプおよびパスファイナーキャンペーンを通じて、大規模ボロメトリック干渉計の実現可能性を示す。
• 直接撮像実験と同等の感度を達成しつつ、干渉計設計の原則によって機器的系誤差を低減する。

提案手法

• バック・トゥ・バックのフィードホーンとオフアキシス望遠鏡を用いた準光学的干渉計（QOI）設計により、複数のフィードホーンからのマイクロ波信号をコherently結合する。
• 各フィードホーン入力で直交する偏光を分離するために、直交モード変換器（OMT）を用いる。
• 基線間の可視性を時間領域で多重化するために、制御された位相シフト器を実装する。
• 焦点面に冷却ボロメータ（300 mK）を用い、すべての入射信号の二乗則和を測定することで、実質的に線形結合としての可視性を測定する。
• バトラー結合器に類似した準光学的ビームコンビナーを用いて、空間的多重化を実現し、信号パワーをボロメータアレイに分配する。
• 3つの周波数帯（90、150、220 GHz）を設計し、各モジュールに144個のフィードホーンを設け、多極数50〜200を標的とする。

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、系誤差を低減させつつ、直接撮像実験と同等の感度を達成できるか？
• RQ2 ボロメトリック干渉計における位相シフトシーケンスは、感度の低下を最小限に抑えて可視性をどれほど効果的に回復できるか？
• RQ3 CMB Bモード信号を r = 0.01 で検出するための大規模ボロメトリック干渉計の最適設計は何か？
• RQ4 南極のドームCは、CMB Bモード検出に低雑音・高感度観測を可能にするか？
• RQ5 モジュラーかつ多周波数のボロメトリック干渉計は、極限環境下で実用的に展開・キャリブレーション可能か？

主な発見

• BRAIN実験は、9つのモジュールと1年間の有効データを用いて、テンソル対スカラー比 r = 0.01 を 4σ の有意水準で制約できるように設計されている。
• QOIベースの設計により、可視性の空間的および時間領域多重化が可能となり、制御された位相シフトシーケンスによって可視性の振幅が回復できる。
• ドームCの観測地点は、明るさ温度が約14 Kで、水蒸気量が少ない優れた大気的条件を提供しており、ミリ波帯観測に最適である。
• 2006年と2007年のドームCでのプロトタイプパスファイナーキャンペーンにより、観測地点の適性が確認され、1か月分のデータが収集された。
• 感度解析の結果、最適な位相シフトシーケンスを用いることで、ボロメトリック干渉計は、同じ数のホーンとボロメータを有する撮像実験と同等の感度を達成できることが示された。
• 最終的な装置は、9つのモジュールから構成され、各モジュールに144個のフィードホーンと約100個のボロメータが設けられ、90、150、220 GHzで動作し、多極数50〜200を標的とする。