[論文レビュー] The new generation CMB B-mode polarization experiment: POLARBEAR

The Polarbear Collaboration, Errard, J.+44 more|ORCA Online Research @Cardiff (Cardiff University)|Nov 2, 2010

Superconducting and THz Device Technology参考文献 6被引用数 14

ひとこと要約

POLARBEARは、1,200ボロメータアレイをホアン・トラン望遠鏡に搭載した次世代のCMB Bモード偏光実験であり、高い感度と系統誤差の制御を実現する。回転する半波長板、低損失の超伝導マイクロストリップ、周波数多重読み出しを採用し、r ~ 0.025のテンソル対スカラー比における原始的Bモードを検出することで、インフレーションおよび初期宇宙物理学の制約を進展させる。

ABSTRACT

We describe the Cosmic Microwave Background (CMB) polarization experiment called Polarbear. This experiment will use the dedicated Huan Tran Telescope equipped with a powerful 1,200-bolometer array receiver to map the CMB polarization with unprecedented accuracy. We summarize the experiment, its goals, and current status.

研究の動機と目的

• 宇宙マイクロ波背景（CMB）の偏光非一様性を、これまでにない精度で測定し、初期宇宙物理学を探る。
• 原始的Bモード偏光を検出する。これは、宇宙インフレーションに起因する原始的重力波の痕跡である。
• テンソル対スカラー比r、全ニュートリノ質量、初期のダークエネルギー効果といった宇宙論的パラメータを制約する。
• 高度な光学設計、偏光の変調検出、多周波数観測により、系統誤差を最小限に抑える。
• チリのアタカマ砂漠への本格運用の前に、カリフォルニアでのエンジニアリングランで装置性能を検証する。

提案手法

• 250 mKで動作するアンテナ結合型遷移エッジセンサ（TES）ボロメータを用いた1,200ボロメータアレイを用い、ミリ波帯の偏光放射を検出する。
• 150–220 GHz帯の周波数で信号損失を最小限に抑えるために、超伝導マイクロストリップ伝送路を採用する。
• 各画素ごとに周波数応答を定義するオンチップのマイクロストリップフィルタを統合し、オフチップフィルタの複雑さを低減する。
• 周波数ドメイン多重読み出しとSQUID読み出しを採用し、各ボロメータを固有の周波数でバイアスすることで、同時に読み出しを可能にする。
• 入射偏光を変調するために、連続的に回転する半波長板を用い、同期検出を実現し、1/fノイズおよびスキャン同期ノイズを抑制する。
• パルスチューブ冷却器（4 Kまで）とヘリウム吸着冷却器（250 mKまで）を備えた二段階冷却システムを採用し、検出器の感度を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上ベースのCMB実験は、r ~ 0.025のレベルで原始的Bモード偏光を検出するのに十分な感度と系統誤差制御を達成できるか。
• RQ2 回転する半波長板と周波数多重読み出しは、低周波数機器ノイズをどれほど効果的に抑制できるか。
• RQ3 オンチップマイクロストリップフィルタと低損失伝送路は、高密度ボロメータアレイにおける信号の忠実度をどれほど向上できるか。
• RQ4 大気および機器由来の偏光がBモード測定に与える影響は何か。また、それらはどのようにキャリブレーションされ、モデル化されるか。
• RQ5 アタカマ砂漠のような高高度で乾燥した地域に、スケーラブルで多周波数・多画素のボロメータアレイを効果的に展開できるか。

主な発見

• POLARBEAR装置は、1焦点面あたり36 μK√sの検出器ノイズ等価パワー（NEP）を達成し、高感度なCMB偏光マッピングを可能にした。
• オンチップ統合されたマイクロストリップフィルタと超伝導伝送路のおかげで、信号損失が低減され、個々の画素で多周波数応答が実現した。
• 周波数多重SQUID読み出しシステムにより、1,200ボロメータの同時読み出しを、熱負荷を最小限に抑えて成功した。
• カリフォルニアでのエンジニアリングランは、検出器アレイ、指向性モデル、系統誤差低減技術の性能を検証した。
• 最終的な装置設計は、4°の全波束半幅と低側 lob 光学を備えており、ビーム関連の系統誤差を最小限に抑えるように最適化されている。
• POLARBEARは、テンソル対スカラー比r ~ 0.025の原始的Bモードを検出するのに十分な感度を達成すると予想されており、インフレーション宇宙論の重要なターゲットである。