[論文レビュー] The Simons Observatory: Project Overview

Nicholas Galitzki|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2018

Superconducting and THz Device Technology参考文献 15被引用数 5

ひとこと要約

シモンズ観測所（SO）は、6メートルの大型開口鏡（LAT）と複数の42 cmの小型開口鏡（SAT）を用いた次世代の宇宙マイクロ波背景放射（CMB）実験を提案している。この実験は、1アングストローム分から数十度のスケールにわたり、CMBの温度および偏光を測定することを目的としている。60,000個を超えるAlMn遷移エッジセンサ（TES）ボロメータをマイクロ波SQUID多重化（μ-mux）読み出し方式で使用し、27–270 GHzの周波数帯域で高感度・多周波数観測を実現することで、宇宙論的パラメータ、初期宇宙の重力波、ニュートリノの性質、大規模構造の制約に不可欠な情報を得る。

ABSTRACT

The Simons Observatory (SO) will make precision temperature and polarization measurements of the cosmic microwave background (CMB) over angular scales between 1 arcminute and tens of degrees using over 60,000 detectors and sampling frequencies between 27 and 270 GHz. SO will consist of a six-meter-aperture telescope coupled to over 30,000 detectors and an array of half-meter aperture refractive cameras, coupled to an additional 30,000+ detectors. The unique combination of large and small apertures in a single CMB observatory will allow us to sample a wide range of angular scales over a common survey area while providing an important stepping stone towards the realization of CMB-Stage IV. CMB-Stage IV is a proposed project that will combine and expand on existing facilities in Chile and Antarctica to reach the ~500,000 detectors required for CMB-Stage IV's science objectives. SO and CMB-Stage IV will measure fundamental cosmological parameters of our universe, constrain primordial fluctuations, find high redshift clusters via the Sunyaev-Zeldovich effect, constrain properties of neutrinos, and trace the density and velocity of the matter in the universe over cosmic time. The complex set of technical and science requirements for SO has led to innovative instrumentation solutions which we will discuss. For instance, the SO large aperture telescope will couple to a cryogenic receiver that is 2.4 m in diameter and 2.4 m long. We will give an overview of the drivers for and designs of the SO telescopes and cameras as well as the current status of the project. We will also discuss the current status of CMB-Stage IV and important next steps in the project's development.

研究の動機と目的

• 広い角度スケールにわたりCMBの温度および偏光非均一性を測定することで、精密宇宙論を実現すること。
• 過去のCMB実験の限界を克服するため、1つの施設に大型および小型開口鏡を統合し、広いダイナミックレンジをカバーすること。
• 数千個の検出器を対象とする高多重化因子の読み出し方式を備えた革新的な低温受信機システムの開発および導入。
• CMB-Stage IVに至る重要な技術的・科学的足場を提供すること。CMB-Stage IVでは500,000個の検出器を必要とする。
• 基本的宇宙論的パラメータの制約、初期宇宙の重力波の検出、およびサニャエフ＝ゼルドビッチ効果を用いた高赤方偏移銀河団のマッピング。

提案手法

• 90 GHzで7.2°の視野角を持つ6メートルのクロスド・ドラゴネ型大型開口鏡（LAT）を導入し、大スケールのCMB非均一性を観測する。
• 直径2.4 m、長さ2.4 mのモジュール式低温受信機（LATR）を採用。13本の光学チューブを内蔵し、各チューブには3枚のシリコンレンズと3枚の検出器ウェーハを搭載。
• 加工されたメタマテリアルのアンチリフレクション層を備えた屈折再像光学系を採用し、信号損失およびクロストークを最小限に抑える。
• 42 cmの開口鏡を備えた小型開口鏡（SAT）を用い、1度スケールのCMB偏光を観測する。各SATには7枚の検出器ウェーハを搭載。
• 27/39 GHz（LF）、90/150 GHz（MF）、220/270 GHz（UHF）の多周波数観測を実施し、CMB信号と偏光を持つ銀河系前景を区別する。
• マイクロ波SQUID多重化（μ-mux）読み出し方式を採用し、1本のRFラインあたり数千個の検出器を多重化可能とし、ケーブルの複雑さを低減するとともに、低温環境下での運用を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模および小規模開口鏡を統合した望遠鏡システムは、CMB観測における広い角度スケールにわたり最適な感度をどのように達成できるか？
• RQ2 60,000個以上の検出器を搭載した高スループット・多周波数・多偏光CMB受信機の最適設計は何か？
• RQ3 マイクロ波SQUID多重化（μ-mux）は、低温環境下で大規模なTESボロメータアレイをスケーラブルかつ低雑音で読み出し可能か？
• RQ4 シリコンレンズに加工されたメタマテリアルのアンチリフレクション被膜は、多バンドCMB受信機において信号損失を最小限に抑え、光学効率を向上させられるか？
• RQ5 CMB-Stage IV観測所（500,000個の検出器を必要とする）に移行するには、どのような技術的および機器的イノベーションが必要か？

主な発見

• シモンズ観測所は、LATおよびSAT機器に60,000個を超えるTESボロメータを導入する。初期構成では、2本のミッド周波数（90/150 GHz）光学チューブ、2本のウルトラハイファーケンシー（220/270 GHz）チューブ、1本のローファーケンシー（27/39 GHz）チューブをLATRに搭載する。
• LATR受信機はモジュール式かつ現地交換可能であり、冷凍タンクの後部から取り付けられた光学チューブを、望遠鏡に取り付けたまま交換可能である。
• マイクロ波SQUID多重化（μ-mux）により、1本のRFラインあたり数千個の検出器を読み出し可能となり、ケーブルの複雑さが顕著に低減され、複数層の放射線遮蔽および真空遮蔽環境下での運用が可能になる。
• 加工されたメタマテリアルのアンチリフレクション被膜を備えたシリコンレンズは、高い光学透過率と低いサイドローブ応答を実現し、システムノイズと前景汚染を最小限に抑える上で極めて重要である。
• SATアレイは35°の全幅半最大ビーム幅で観測を行い、1度スケールのCMB偏光に対する高感度測定を可能にする。
• SOは、CMB-Stage IVへの重要な技術的・科学的先行段階として位置づけられており、多チャネルTESアレイや高多重化読み出しシステムといった主要部品の実現可能性が裏付けられている。