[論文レビュー] Ultra High Energy Cosmology with POLARBEAR

Brian Keating, S. Moyerman+53 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2011

Superconducting and THz Device Technology参考文献 16被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、インフレーション期の重力波に由来する原始的Bモード偏光および重力レンズ効果を検出することを目的とした地上型CMB偏光実験POLARBEARを提案する。3.5mの望遠鏡に、0.25 Kに冷却された1,274個のアンテナ結合型TESボロメータを搭載し、2年間でr = 0.025のテンソル対スカラー比感度を達成することを目的としており、GUTスケールに近いエネルギー領域の物理学を調べるとともに、レンズ効果のインプリントを用いてニュートリノ質量を制約する。

ABSTRACT

Observations of the temperature anisotropy of the Cosmic Microwave Background (CMB) lend support to an inflationary origin of the universe, yet no direct evidence verifying inflation exists. Many current experiments are focussing on the CMB's polarization anisotropy, specifically its curl component (called "B-mode" polarization), which remains undetected. The inflationary paradigm predicts the existence of a primordial gravitational wave background that imprints a unique B-mode signature on the CMB's polarization at large angular scales. The CMB B-mode signal also encodes gravitational lensing information at smaller angular scales, bearing the imprint of cosmological large scale structures (LSS) which in turn may elucidate the properties of cosmological neutrinos. The quest for detection of these signals; each of which is orders of magnitude smaller than the CMB temperature anisotropy signal, has motivated the development of background-limited detectors with precise control of systematic effects. The POLARBEAR experiment is designed to perform a deep search for the signature of gravitational waves from inflation and to characterize lensing of the CMB by LSS. POLARBEAR is a 3.5 meter ground-based telescope with 3.8 arcminute angular resolution at 150 GHz. At the heart of the POLARBEAR receiver is an array featuring 1274 antenna-coupled superconducting transition edge sensor (TES) bolometers cooled to 0.25 Kelvin. POLARBEAR is designed to reach a tensor-to-scalar ratio of 0.025 after two years of observation -- more than an order of magnitude improvement over the current best results, which would test physics at energies near the GUT scale. POLARBEAR had an engineering run in the Inyo Mountains of Eastern California in 2010 and will begin observations in the Atacama Desert in Chile in 2011.

研究の動機と目的

• インフレーション理論の決定的証拠である、インフレーション期の重力波に由来する原始的Bモード偏光信号を検出する。
• CMBの重力レンズ効果を特徴づけ、宇宙論的ニュートリノ質量を制約する。
• システマティクスを最小限に抑え、バックグラウンド制限の検出器を用いることで、Bモード信号に対する前例のない感度を達成する。
• POLARBEAR-1、POLARBEAR-2、POLARBEAR Extendedの段階的観測戦略を構築し、感度を段階的に向上させる。
• NISジャンクションのような新技術の冷却技術を活用し、検出器の熱雑音を低減し、感度を向上させる。

提案手法

• チリのアタカマ砂漠に、3.8角分の分解能（150 GHz）を有する3.5メートルの非対称グレゴリアン望遠鏡（Huan Tran Telescope）を設置する。
• 0.25 Kに冷却された1,274個のアンテナ結合型超伝導トランジションエッジセンサ（TES）ボロメータアレイを用い、バックグラウンド制限の感度を実現する。
• 銀河系の前景放射を低減するため、40 GHzおよび150 GHz帯の多周波数観測戦略を採用する。
• 木星およびTau Aを用いた正確なキャリブレーション技術により、ビーム形状、楕円度、ビーム幅を特徴づける。
• POLARBEAR-2では、サイナウス型アンテナとマイクロストリップフィルタを用い、3.5:1の有効帯域幅と優れたクロスポーラリゼーション除去特性を実現する。
• NISジャンクションを用いたオンチップ冷却を統合し、ボロメータ浴温度を250 mKから130 mKに低下させ、感度を15%向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 POLARBEARは、テンソル対スカラー比r = 0.025のインフレーション期の重力波に由来する原始的Bモード信号を検出可能か？
• RQ2 CMB Bモード信号の重力レンズ効果は、ニュートリノ質量の和をどの程度まで制約できるか？
• RQ3 ビーム非対称性、ポイントング誤差、差分ビーム効果といったシステマティクスを、POLARBEARはどの程度効果的に低減できるか？
• RQ4 オンチップ冷却にNISジャンクションを用いることで、検出器の熱雑音を低減し、マッピング速度を18%以上向上できるか？
• RQ5 POLARBEAR-2では、従来の二重スロットダイポール設計と比較して、ブロードバンドサイナウス型アンテナを用いることで、どの程度の性能向上が得られるか？

主な発見

• 2年間の観測後、POLARBEARはr = 0.025での原始的Bモード信号を95%信頼区間（2σ）で検出可能と予測される。
• 2010年のInyo Mountains技術試験では、ビーム特性の評価が行われ、r = 0.025の検出に必要な水準を上回る2倍以上の性能を達成した。特に、差分ポイントング、楕円度、ビームサイズの性能が明確に向上した。
• POLARBEAR-2受信機は、90 GHzおよび150 GHzの二重周波数応答を有する1,837ピクセル（7,348個のボロメータ）を備え、周波数分離とシステマティクス制御の向上を実現する。
• NISジャンクションは、有効なボロメータ浴温度を250 mKから130 mKに低下させ、感度を15%向上させ、マッピング速度を18%以上向上させることが予測される。
• POLARBEAR Extendedでは、3台のHuan Tran望遠鏡にそれぞれPOLARBEAR-2仕様の受信機を搭載し、ニュートリノ質量の和を0.1 eVまで制約する。
• 2010年の技術試験では、木星の合成マップと2時間のTau Aマップが正常に得られ、ビームおよび偏光応答のキャリブレーションが妥当であることが検証された。