LiteBIRDの概要と成立性の検討

LiteBIRDの概要と成立性の検討
2015年３月21日
石野宏和（岡山大学）
on behalf of the LiteBIRD WG
2015/3/21
日本物理学会＠早稲田大学
1
LiteBIRD
Lite (Light) Satellite for the studies of B-mode polarization and Inflation
from cosmic background Radiation Detection
http://litebird.jp/
ビックバン以前の宇宙加速膨張（インフレーション）の謎
にせまる！
• 全天をスキャンし、原始重力波の強度 r を 0.001の精度で測定
• Planck の100倍の感度、地上実験よりも桁違いの感度
• r > 0.002を予言する全ての代表的インフレーションモデルを検証
2015/3/21
日本物理学会＠早稲田大学
2
LiteBIRD working group
JAXA
宇都宮真
岡本篤
河野功
坂井真一郎
佐藤洋一
篠崎慶亮
杉田寛之
竹井洋
西城邦俊
西堀俊幸
野田篤司
福家英之
松浦周二
松原英雄
松村知岳
満田和久
山崎典子
吉田哲也
四元和彦
和田武彦
大阪大
黒宮章太
高倉理
高野恵介
中嶋誠
大阪府大
井上将徳
岡田望
小川英夫
木村公洋
高津湊
岡山大
石野宏和
岡本晃範
喜田洋介
樹林敦子
岐部佳朗
山田要介
核融合研
高田卓
Kavli IPMU
片山伸彦
菅井肇
西野玄記
KEK
岡村崇弘
小栗秀悟
木村誠宏
郡和範
佐藤伸明
鈴木敏一
田島治
茅根裕司
都丸隆行
長崎岳人
永田竜
羽澄昌史(PI)
長谷川雅也
服部香里
森井秀樹
吉田光宏
甲南大
大田泉
国立天文台
稲谷順司
鹿島伸悟
唐津謙一
関口繁之
関根正和
関本裕太郎
新田冬夢
野口卓
A. Dominjon
S. Shu
埼玉大
成瀬雅人
NICT
鵜澤佳徳
総研大
秋葉祥希
石塚光
井上優貴
瀬川優子
富田望
渡辺広記
JAXA engineers
X-ray
2015/3/21 astrophysicists
筑波大
永井誠
APC Paris
R. Stompor
東工大
松岡聡
R. Chendra
CU Boulder
N. Halverson
東北大
服部誠
森嶋隆裕
名古屋大
市來淨與
横浜国大
入江郁也
中村正吾
夏目浩太
藤野琢郎
水上邦義
山下徹
McGill U.
M. Dobbs
MPA
小松英一郎
NIST
G. Hilton
J. Hubmayr
Stanford U.
並河俊弥
K. Irwin
C.-L. Kuo
理研
大谷知行
美馬覚
CMB exp.
Superconducting
日本物理学会＠早稲田大学
detector
IR astronomers
UC Berkeley /
LBNL
日下暁人
鈴木有春
堀泰斗
J. Borrill
A. Cukierman
T. de Haan
J. Errard
N. Goeckner-wald
P. Harvey
C. Hill
W. Holzapfel
O. Jeong
A. Lee(US PI)
E. Linder
P. Richards
U. Seljak
B. Sherwin
P. Turin
B. Westbrook
N. Whitehorn
UC San Diego
K. Arnold
T. Elleot
B. Keating
G. Rebeiz
3
これまでのBモード偏光探索の結果
Planck+BICEP2/Keck
r<0.09
arXiv:1502.01582
2015/3/21
Y. Chinone
日本物理学会＠早稲田大学
4
LiteBIRDミッション
• 実験感度：2.6μK・arcmin (マージン込）
– 観測期間：3年間
– 超伝導検出器約2000チャンネル
• 観測周波数:50-320GHz
– 帯域幅23%（低周波側）と30%（高周波側）が
それぞれ３バンド
– COのラインを避ける
• 角度分解能：40 arcmin @ 140GHz
– 光学系のサイズ：～2mφｘ２ｍt
• 全天観測
– 太陽・地球のL2ハロー軌道、スピン衛星
2015/3/21
日本物理学会＠早稲田大学
5
期待される検出器の感度
2015/3/21
日本物理学会＠早稲田大学
6
LiteBIRD 概要
視線方向
視野 10 x 20度回転半波長板
焦点面超伝導検出器
0.1rpm
で回転
レンズ
TES
MKID
スリップリング
30度
詳細は、
松村：21aDD-4
光学系
ミッション部
バス部
太陽電池パネル
HGA：Xバンドでのデータ転送
2015/3/21
日本物理学会＠早稲田大学
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多周波数観測と前景放射
前景放射を除くために、多周波
数観測を行う。
based on N. Katayama and E. Komatsu,
ApJ 737, 78 (2011)
B-mode偏光強度
ダスト
シンクロトロン
CMB
Avoid CO lines!
Δν/ν=0.23 per band
詳細は、
水上：21aDD-2
Δν/ν=0.23 and 0.3 per band
テンプレート法による前景放射除去ア
ルゴリズム→ バイアスδr < 0.001を
達成可能
2015/3/21
日本物理学会＠早稲田大学
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光学系
• ビームサイズ：6つのバンドで1度以下 • バッフルと鏡を4Kに冷却
• Half-wave plateによる偏光
• 視野 10 x 20度
変調
• 光学系の大きさ：2mφ x 2mt
• Tele-centric
cross-Dragon に基づいた光学系
2015/3/21
GRASP10 シミュレーション@60GHz
バッフルを置き、サイドローブを除去。
T. Matsumura, K. Kimura, N. Okada 9
日本物理学会＠早稲田大学
焦点面検出器
• 感度：Optical NEP=2 x 10-18
W/sq(Hz)
• 50-3２0GHzの広帯域
• 多色化（3バンド/素子）
tri-chroic（140/195/280GHz）
• 2022チャンネルで2.6μK・
arcmin (マージン込)
• 100mKで作動
• 焦点面サイズ：50cm x 30cm
検出器：TES or MKID
8cm
UC Berkeley
tri-chroic（60/78/100GHz）
2015/3/21
日本物理学会＠早稲田大学
国立天文台・理研・岡山大・KEK
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全天スキャンの方法＠太陽・地球L2
• クロスリンクが小さくなり、太
陽からのサイドローブへの入り
込みを最小化
• α=65度
• β=30度
• 歳差周期：90分
• スピン周期：10分
• データレート：330kbps
• テレメトリー：X-band
1年間のヒットマップ
空のあるピクセル掃引方向
クロスリンク
=<cos2q>2+<sin2q>2
q
黄経方向
2015/3/21
日本物理学会＠早稲田大学
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系統誤差
E→B
T→B
T→B
w/ HWP
要求値 δr < 0.57 x 10-3 以下
2015/3/21
日本物理学会＠早稲田大学
R. Nagata
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海外の動向
• アメリカ：PIXIEが201７年に提
案可能性あり
• 最速で2023年打ち上げ
• ヨーロッパ：COrE+ M4に
提案
https://hangar.iasfbo.inaf.it/core/index.html
• 2020年台前半に先んじて打ち上げることが
重要！
• JAXA/ISAS平成26年度戦略的中型宇宙科学ミッション
募集にLiteBIRDの提案書を提出済み
2015/3/21
日本物理学会＠早稲田大学
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まとめ
• 今後CMBの偏光Bモード測定の競争はさ
らにヒートアップ。
• LiteBIRDは、これまで達成された測定精
度を100倍以上改善可能。
– rの測定精度：0.001
• コミュニティの合意：
– 日本学術会議が策定した「第22期学術の大型研究計画に関するマ
スタープラン」の「重点大型研究計画」２７件のうちの一つに選ば
れた。
– 文科省「ロードマップ2014」の新たに掲載する10計画の内の
一つに選ばれた。
2015/3/21
日本物理学会＠早稲田大学
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バックアップスライド
2015/3/21
日本物理学会＠早稲田大学
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回転軸
視線
半波長板
（1/fノイズ低減、変調）
LiteBIRD 概要
副鏡
(4K)
主鏡
(4K)
焦点面
検出器
(100mK)
冷凍機システム
(JT/ST + ADR)
2020年台前半打ち上げ
3年間の運用期間
3年間のデータ解析期間
軌道：太陽・地球L2ハ
ロー軌道
ソーラー
パネル
宇宙背景放射によるインフレーションの検証
ミリ波（50－320GHz）の偏光度全天観測
2015/3/21
スケジュール：
日本物理学会＠早稲田大学
重量目標：1.6t
電力目標：1.5kW
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インフレーション起源の原始重力波
原始重力波の強度を表す指標：
𝐴𝑇
𝑟=
𝐴𝑆
r とインフラトンのポテンシャルの関係
𝑉 1/4
=
1016
×
𝑟 1/4
0.01
(Lyth)：
GeV
r の測定によりインフラトンのポテン
シャルエネルギーを測定
→インフレーションモデルを同定
2015/3/21
日本物理学会＠早稲田大学
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This mission proposal
Go o g le M ap s
LiteBIRD
1 /1 2 /1 2 4 : 4 7 AM
To see all the details that are visible on the
screen, use the "Print" link next to the map.
Europe base mission concepts
COrE
US base mission concepts
EPIC
h ttp : //m ap s. g o o g le. co m /m ap s?h l= en & tab = w l
Pag e 1 o f 2
PRISM
2015/3/21
h ttp : //m ap s. g o o g le. co m /m ap s?h l= en & tab = w l
PIXIE
日本物理学会＠早稲田大学
18Pag e 1 o f 2
前景放射除去
テンプレート法による前景放射除去ア
ルゴリズム→ δr < 0.001を達成可能
N. Katayama and E. Komatsu,
ApJ 737, 78 (2011)
rrecover
Method II: Δ-template with uniform β distribution
Method II’: Δ-template with a prior in β distribution
Method III: iterative Δ-template
using 6 band
ℓ<47, fsky=50%
2015/3/21
日本物理学会＠早稲田大学
rin
Katayama et al. in prep.
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焦点面検出器の仕様
T. Matsumura, T. Suzuki
2015/3/21
日本物理学会＠早稲田大学
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検出器候補(TES)
Transition Edge Sensor (TES) bolometer
• PolarBEAR実験のTESに基づくデザイ
ン
• Sinuousアンテナによる広帯域受信
• 周波数フィルターによりそれぞれのアン
テナで3バンド測定
• 64 チャンネル周波数領域読み出し
• 2W/SQUID →読み出し電力64W
2015/3/21
日本物理学会＠早稲田大学
7バンド測定デモ
UC Berkeley group
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検出器候補(MKID)
T. Nitta et al., LTD-15, 2013
国立天文台作製
95% yield, Qi~106
• 周波数領域読み出しにより1000
チャンネル同時読み出しが可能
• Al, Al/Ti, TiNにより要求観測周波数
をカバー可能
• 6 x 10-18 W/sq(Hz)を達成
2015/3/21
日本物理学会＠早稲田大学
国立天文台・KEK・理研・岡山大で共同開発
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