宇宙背景放射偏光観測によるインフレーション宇宙の検証
KEK宇宙マイクロ波背景放射観測グループ
羽澄昌史
masashi.hazumi@kek.jp1

KEK CMB実験グループの紹介
z 2007年12月正式に発足
z スタッフ5名（羽澄、田島、都丸、長谷川、樋口）＋院生

z 活動
z QUIET実験（現在のメインプロジェクト）z PolarBeaR実験
z 超伝導検出器開発（KEK測定器開発室、理研等と共同）
2z 小型科学衛星LiteBIRD検討（JAXA、NAOJ等と共同）

浜名さんからの依頼メール、、、、、、CMBを軸に宇宙論／高エネルギー物理の将来を熱く議論するセッションにしたい
3インフレーションのCMBによる検証

3宇宙の一様性
3宇宙の平坦性
3宇宙構造の起源

1978年ノーベル物理学賞

z 原始重力波

2006年ノーベル物理学賞

z

初期CMB観測z

BOOMERanG,
WMAPz

COBE, WMAP,
銀河宇宙地図4

原始重力波の発見法：CMB温度から偏光度へ
CMB偏光度マップ
原始重力波CMB偏光Ｂモード
磁場 （B）のようにカールした成分

z CMB偏光Bモードは原始重力波が “刻印” されたもの
z CMB偏光Bモード検出が原始重力波のベストな発見法
z 今まさに人類が挑むべきテーマ
5

CMB B-mode polarization
Tensor perturbation

Scalar perturbation

B-modeE-modeB-mode: Smoking gun signal of
Primordial gravitational wave

6

“Task force on Cosmic Microwave Background Research”(astro-ph/0604101, USのroadmap)からの引用
The accurate measurement of CMB polarization is the next
critical step in extending our knowledge of both the early
Universe and fundamental physics at the highest energies.
z Detecting primordial gravitational waves would be one of themost significant scientific discoveries of all time.
z We recommend technology development leading to receivers that
contain a thousand or more polarization sensitive detectors, andadequate support for the facilities that produce these detectors.
z「初期宇宙」と「最高エネルギーの根本的物理法則」を探究する王道
原始重力波の発見は科学史上最大の発見
1000画素以上の偏光ミリ波カメラを作れ
7

Temperature Anisotropy
Current

W. Hu et al. astro-ph/0210096

CMB Polarization Spectra

RequiredSingle-field slow-roll inflationr = T/S (tensor to scalar ratio、重力波の相対的な大きさ)

8E mode measurements: status
CAPMAP

20K HEMTアンプ

CAPMAPが11シグマで観測（2008年2月）
Cf. QUIET実験ではこれより数十倍高い感度が期待される

0.3Kボロメータ
QUaD
QUaDのより鮮明な観測結果（2008年５月）

１００GHｚ、１５０GHｚ

9WMAP 5years

10Funded CMB Polarization Experiments((near) completed: Bicep1, Boomerang, CBI, DASI, Maxipol, QUaD, WMAP, VSA)

(Proposed: ACT-POL, SPUD)
Name

Type/
location

Institutions

Ell range

Frequencies#Detectors

Resolution

Planck

BoloHEMT/Space

ESA, IAS-Orsay,
Bologna + many

2-200025-1000

22H+52B

8’SpiderBolo/Balloon

CIT/JPL,CITA,
CWRU,Stanford

2-250

40,90,150,
220

~2000

40’

BICEP2

Bolo/SouthPole

CIT/JPL,CITA,Stanford

10-250

150

512

40’

CloverBolo/Chile

Cardiff, Oxford,
Cambridge, Manchester

20-1000

90,150,225

200-400

10’

QUIET

HEMT/Chile

Chicago, CIT, JPL, KEK,
Manchester, Miami, MPI,
Oxford, Princeton, Stanford

20-1000

40,90

119x2
1000x2(P2)

10’

EBEX

Bolo/Balloon

Minn, Berkeley, Brown,
Cardiff, Columbia,
McGill +820-1200

150,250,420

1406

8’

PolarBeaR

Bolo/Chile

Berkeley,APC,
Cardiff,Colorado, Imperial,
KEK, McGill,UCSD

20-3000

90,150,220

1274

3.5’

SPTPOLBolo/South
Pole

Chicago,Berkeley, Colorado,CWRU, Davis, JPL,
McGill,SAO

20-10000

90,150,220

1000-2000

1.1’

compiled by Adrian Lee

Scientific Shopping Listz

Bモード（low l）による原始重力波の探索z

重力レンズによるBモード（high l）の発見
z ダークエネルギーz ニュートリノ質量z

Beyond the Standard Modelz 重力パリティの破れ（non-zero CEB etc.)z

宇宙再電離(low l）z

前景放射のサイエンスz

最終目標：インフレーションパラメータの決定とモデルの選別（実験屋の本音：予期せぬ発見で理論家をギャフンと言わせたい）

12z Bonnz Caltech
z Columbia
z JPLz KEKz Chicago
z Stanford
z Manchesterz Miamiz Osloz Oxford
z Princeton13z Bonnz Caltechz Columbia• チリ・アタカマ（標高5080m）• HEMT内蔵ポーラリメータオンチップ（JPL)• フェーズ I （2008年9月~2009年12月）¾ 40 GHz “Q‐band”: 19モジュール¾ 90 GHz “W‐band”: 91モジュール• フェーズ II （2010年～ ）¾ 合計~1000モジュール

z JPL
z KEK
z Chicagoz Stanford
z Manchester

天空の一部を観測

既にCAPMAPの10倍相当のデータ

z Miamiz Osloz Oxfordz Princeton

14

QUIETの実験感度予想

シカゴ大解析の中心はBelleの解析で学位をとった日下さん

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POLARBeaR実験
UC Berkeley, LBL, UCSD, Colorado,KEK, McGill, IC London, LAC, Cardiff
場所：チリ・アタカマ
レシーバー：Antenna-coupled TES array((90), 150, 220GHz)予定： 試験（Carma、カリフォルニア）2009 ~本実験 2010 ~POLARBeaRレシーバー

バークレーボロメータグループ

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QUIETとPOLARBeaRとの共同観測

Verde-Peiris-Jimenez 2005

ポイント：
QUIET+PolarBear統合解析は世界一の感度をもつと期待される

17

決定的測定にはCMB偏光観測衛星が必要！
(no approved mission yet)

(LiteBIRD)

18

EPIC(JPL版)
打ち上げは2020年以降

LC (Low Cost ~ 600M$ !) option
6 telescopes; eachwith 30cmφ optics

CS (Coprehensive Science)
optionfocal plane with
TES bolometers

19

EPIC(JPL版) sensitivities

20

EPIC(JPL版)
Inflation reach21

r<0.01という制限が得られたらlarge-fieldを棄却
宇宙の初期温度が力の大統一エネルギーより低いということがわかるかもしれない22ニュートリノ質量とhierarchy
ニュートリノレス
二重ベータ崩壊にも大きなインパクト
特にinvertedなら発見のチャンス大発見に成功すればニュートリノはマヨラナ粒子！
23Foreground removal

Delensingも含めて r=T/S=0.01なら対処できる。r=0.001を狙うためのスタディーが進行中（まずはPlanckの結果が重要）
日本では服部さん（東北大）の「あかり」などを使う戦略があり
24

B-Pol (Europe)
Cosmic visionへ提案したが、Planckの成功が先

MoCu TES(100GHz)

Focal plane with TES bolometers25

LiteBIRD (日本+米国）

Lite (light) Satellite for the studies of B‐mode polarization andInflation from cosmic background Radiation Detection
2008年9月
小型科学衛星WGとして承認

Small is beautiful !
JAXA独自の冷却技術でCryostatなし。軽量化（EPICの約1/3）を目指す
The entire satellite will be in a big cryochamber for testing.

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Group members
NameInstitution
Hideo Matsuhara
JAXA
Kazuhisa Mitsuda
JAXA
Tetsuya Yoshida
JAXA
Yoichi Sato
JAXA
Hiroyuki Sugita
JAXA
Hirokazu Ishino
Okayama Univ.
Atsuko Kibayashi
Okayama Univ.
Tomotake Matsumura Caltech
Adrian Lee
UC Berkeley
Izumi Ota
Mitsuhiro Yoshida
Nobuaki Sato
Kazutaka Sumisawa
Osamu Tajima
Masashi Hazumi
Toshikazu Suzuki
Takayuki Tomaru

Kinki Univ.
KEK
KEK
KEK
KEK
KEK
KEK
KEK

Masaya Hasegawa
Takeo Higuchi
Eichiro Komatsu
Yoshinori Uzawa
Yutaro Sekimoto
Takashi Noguchi
Makoto Hattori

KEK
KEK
UT Austin
NAOJ
NAOJ
NAOJ
Tohoku Univ.

Chiko Otani

RIKEN

Role*
JAXA PI, orbit, scan
PSD
Tests with Baloons
Thermal engineering
Thermal engineering
DAQ, PSD
Simulation
Orbit, scan, optics
PI for foreign institutions,
PSD, modulation scheme
Evaluation of optics
OpticsSimulation
PSD
systematic errors
PI
Thermal engineering
Thermal engineering,
modulation scheme
Tests with baloons
DAQ
Science
PSD
PSD
PSD
Foregrounds,
systematic errors
PSD*Roles should not be restricted
to those listed here.

Consultants(no duty on real work)
NameInstitution Role
Cf.
‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐
Takao Nakagawa JAXA Satellite
SPICA PI
Shuji Matsuura JAXA Satellite
Hideo Kodama KEK Science
theorist
Ryohei Kawabe NAOJ optics, PSD ASTE member‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐27

様々なインフレーションモデルのBモードパワースペクトルとLiteBIRD、QUIET+PolarBear、Planckの予想感度(LiteBIRD)

28

日本CMB実験アクティビティ：今後10年間

29

原始重力波検出感度

Option 1
小型
ＣＭＢ衛星

地上実験
“POLARBeaRx10”

QUIET+PolarBeaR

Planck角周波数（ｌ）の範囲
CMB観測プロジェクトの特色
30

原始重力波検出感度

Option 2
大型ＣＭＢ衛星QUIET+PolarBeaR

Planck角周波数（ｌ）の範囲
CMB観測プロジェクトの特色
31

原始重力波検出感度

Option 3
小型
ＣＭＢ衛星

QUIET+PolarBeaR

Planck角周波数（ｌ）の範囲
CMB観測プロジェクトの特色
32

CMB偏光衛星の戦略
1.

小型衛星（全天サーベイ＋高角度分解能地上実験

2.

大型衛星（全天サーベイ＋高角度分解能）

3.

小型衛星（全天サーベイ

羽澄の私見ではオプション１¾オプション２と比べてコストが格段に小さい（5分の1？）¾衛星より高い角度分解能を実現できる¾地上実験ではより先進的な技術を試すことができる（将来への投資）¾ 例：1万チャンネルの超伝導ミリ波カメラ
33

理論天文学（含む宇宙論）と素粒子論に期待すること（例）z 新しい観測量の提案z 例）円偏光の精密測定による宇宙論z 新しいCombined analysisの提案（と実行）z 例）すばるHSCとCMB偏光によるダークエネルギーの解析
z CMB偏光解析への積極的な参入z 例）PolarBeaRの解析にどっぷりつかってみる

今後の進展・知的興奮を共有できれば幸いです34今後10年は宇宙論と素粒子論の黄金時代！
時間
137億年（現在）

素粒子論

宇宙論

４つの力

38万年

ビッグバン

原始重力波？
10−36 秒？

インフレーション期？

インフラトン？

？秒

1041016？

エネルギー（ギガ電子ボルト）

加速器

究極理論？
35

バックアップ
36

B-Pol (Europe)
Expected B-mode sensitivities

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