今後のCMB観測計画とガンマ線天文学
KEK CMB実験グループ
羽澄昌史
masashi.hazumi@kek.jp

1

CMB観測：過去の大事件
Discovery of CMB (1965)“excess noise” of 3.5K
Discovery of the blackbody form and(@ 7.35cm)
anisotropy of the CMB (1992)

The Nobel Prize in Physics 1978

The Nobel Prize in Physics 2006

2

Arno A. Penzias Robert W. Wilson

COBE satellite

John C. Mather George F. SmootＷＭＡＰ
圧倒的な解像度で宇宙の謎の成分をあぶりだした。
温度揺らぎを精密観測しダークマター

ダークエネルギー
3

Planck
打ち上げ成功！
温度揺らぎ計測の決定版
２０１２年に初期結果公開予定
シミュレーション結果

WMAP

PLANCK ns精密測定 非ガウス性の検証

4

今後の大目標：偏光Bモード
CMB偏光マップは精密に観測されておらず、謎に包まれている CMB偏光測定は、原始重力波発見のベストな方法である
 原始重力波の検出は、宇宙論、素粒子論双方に大きく寄与する
 宇宙論：インフレーションの決定的な検証
 素粒子：超高エネルギー（LHCの一兆倍）の物理


CMB偏光度マップ

パワースペクトル

Ｂモード
5

W. Hu et al. astro-ph/0210096

原始重力波今後の大目標：偏光Bモード
Temperature Anisotropy

inflation
potential

W. Hu et al. astro-ph/0210096~2deg

V1/4 = 1.06  1016  (r/0.01)1/4 GeV

インフレーションエネルギーとBモード強度（r）が直接関係する！

6

量子重力理論の検証

before
探索領域(full success) after7

CMB偏光観測の現状１：WMAP
大視野角

小視野角
ＷＭＡＰ

温度のパワースペクトル
渦なしの偏光成分（Ｅモード）渦状の偏光成分（Bモード）

原始重力波の成分（理論予想例）

未発見
8CMB偏光観測の現状２：全ての観測結果
Ｅモード

Bモード
直接観測による現在の制限
r < 0.73

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

(Proposed: ACT-POL, several others)
Name

Type/
location

Institutions

NEQ(mKs)

Ell range

Frequencies#Detectors

Resolution(arcmin)Planck

BoloHEMT/Space

ESA, IAS-Orsay, Bologna +many

80(@100G)

2-200025-1000

22H+32B(# of pol. ch)

8Spider

Bolo/Balloon

CIT/JPL,CITA,
CWRU,Stanford

4/3 (@96/145G)

2-250

96/145/225

288/512/512

60/40/30

BICEP2

Bolo/South Pole

CIT/JPL,CITA,Stanford

10-25015025637

KECK array

Bolo/South Pole

CIT/JPL,CITA,Stanford

10-250100/150/22
0288/512/512

55/37/26

QUIET

HEMT/Chile

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

12/9 (@40/90G)

20-1000

40,90

119x2~1000(P2)10EBEX

Bolo/Balloon

Minn, Berkeley, Brown,
Cardiff, Columbia, McGill+85 (@150G)

20-1200

150,250,4201406

8PolarBeaR

Bolo/Chile

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

10(@150G)

20-3000

90,150,220

1274

3.5

SPTPOL

Bolo/South Pole

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

1420-10000

90,150,220

1000-2000

1.1

Everyone except Planck claims r=O(0.01) sensitivity and results in 5 yrs.
compiled by Adrian Lee + MH

日本グループが参加する地上観測
QUIET
チリ・アタカマ高地（標高５０８０ｍ）
４０GHｚ、９０GHz

POLARBEAR
９０，１５０，２２０GHｚ

Huan Tran Telescope11偏光観測の例
ＱＵＩＥＴ
100時間未満のデータ

ＷＭＡＰ
公開全データ 検出器技術の向上

 地上でもＷＭＡＰよりはるかに高い偏光感度12LiteBIRD
Lite (light) Satellite for the studies of B-mode
polarization andInflation from cosmic background Radiation Detection
 サイエンス： インフレーションのエネルギースケール決定、原始重力波の観測「ビッグバンの前を探る」
 プラットフォーム： 小型科学衛星
2008年9月JAXA小型科学衛星WGとして承認

特長：「究極の測定」が小型でできる（角度分解能は影響しない）
13

LiteBIRDワーキンググループメンバー••••••••••••

福家英之、松原英雄、満田和久、吉田哲也（ISAS/JAXA）、
篠崎慶亮、佐藤洋一、杉田寛之（ARD/JAXA）、
石野宏和、樹林敦子、三澤 尚典、美馬覚（岡山大理）、
松村知岳（Caltech）、  Planck, BICEP, EBEX
William Holzapfel、Bradley Johnson、Adrian Lee、 Paul Richards、Aritoki Suzuki、Huan Tran(UCBerkeley/LBNL）、 POLARBEAR, EBEX, APEX, EPIC, BICEP, SPT
Julian Borrill (LBNL)、 Planck
大田泉（近畿大）、
吉田光宏（加速器/KEK）、
片山伸彦、佐藤伸明、住澤一高、田島治、西野玄記、羽澄昌史、長谷川雅也、樋口岳雄（IPNS/KEK）、  QUIET, POLARBEAR
柳沼えり（総研大） 、高田卓（筑波大） 、
木村誠宏、 鈴木敏一、都丸隆行（低温セ/KEK）、 POLARBEAR
小松英一郎（UT Austin）、 WMAP
鵜澤佳徳、関本裕太郎、野口卓（ATC/NAOJ）、４１名
茅根裕司、服部誠（東北大理）、 QUIET
２００９年１２月３１日現在
大谷知行（理研）•

コンサルタント： 小玉英雄（KEK)、中川貴雄（JAXA)、川邊良平（NAOJ)

••••

14

LiteBIRD: 戦略とDesign Concept• 現在多くの地上／気球実験が進行中・準備中• アメリカ／ヨーロッパでのCMB偏光衛星実験検討 大型衛星実験(2020年代)•

インフレーションの直接検証にテーマを絞れば、小型で究極の測定が可能
 軽量化を追求し、早期（2020年より前）の打ち上げの道を探る

LiteBIRD Design Concept 小型衛星に搭載するために軽量化及びコンパクト化
質量 < ４００kg， 全長 < １m


検出器の数を増やし統計誤差を下げるための広い焦点面
検出器数 >1000, 直径 = ３０cm, 視野 ３０°×３０°

前景放射を分離するための広い帯域をカバーした光学系及び焦点面
帯域 ６０〜２５０GHz



偏光の系統誤差を減らすためのシンプルな光学系
1/2波長板変調機はサファイアを用いる。直径 < ３０cm

15

Strawman Design

軽量化のカギは2点
１）SPICAタイプの予冷系
２）多色焦点面
16

LiteBIRDの感度
理論予想例
Pagano-Cooray-Melchiorri-Kamionkowski 2007

(LiteBIRD)

LiteBIRDについては統計誤差のみ17

プロジェクト関係図
QUIET

観測：2008 ~ 2010, 2012 ~ 2014

 枯れた技術で早い実験開始
 唯一40GHzを持つ地上実験

POLARBEAR

共同観測

経験・実績

共同開発

LiteBIRD
観測

観測：2010 ~ 2014

 衛星につながる超伝導検出器
 大きい(3.5m)望遠鏡で重力レンズに強い

LiteBIRD

観測：2018 ~ 究極の原始重力波発見感度
 日本主導（得意の小型化）
 国際協力18

CMB偏光観測：Scientific Shopping List

Bモード（low l）による原始重力波の探索



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

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

宇宙再電離(low l）

前景放射のサイエンス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）
19

科研費新学術領域研究（領域提案型）

背景放射で拓く宇宙創成の物理－インフレーションからダークエイジまで－

ｈｔｔｐ://cbr.kek.jp/

A04（東北大・服部）

平成21－25年度
領域代表・羽澄（KEK）

A02（理研・大谷）

超伝導検出器前景放射分離A05（KEK・小玉）

究極理論
宇宙の始まり宇宙マイクロ波
背景放射（CMB）

宇宙赤外線背景放射（CIRB）

CMB偏光
Bモード測定?
Bモード偏光（重力波）

A03（JAXA・松浦）

初代天体
原始赤外銀河

インフレーション期 再結合期

宇宙年齢10-36秒A01（KEK・羽澄）

ダークエイジ

CIRB観測宇宙再電離 銀河形成・成長期 現在

38万年 1億年

10億年

137億年

20ガンマ線天文学とCMB（「fundamentalな探求」に資するテーマがあるか？）
何かありそうかどうか、尐し探してみました• DM annihilations– Exciting DM• to explain PAMELA/ATIC/PPB-BETS/Fermi/H.E.S.S.

– Seen as “Haze”• アクシオン？
• Blazar as foregrounds• GRB aftergrow observation at ~100GHz ?
－（井岡さんへの宿題）
21

DM annihilations (1): Exciting DM (XDM)
Enhanced DM annihilation to explain PAMELA/ATIC/PPB-BETS/Fermi/H.E.S.S.
 extra power injected around recombination
 broadning of last-scattering surface

Tests of XDM models
 Planck seems to be rather decisive

TTTEEE

Slatyer-Padmanabhan-Finkbeiner 200922

DM annihilations (2): “Haze”
Dobler-Finkbeiner-Cholis-Slatyer-Weiner :arXiv:0910.4583 and references therein

Residual Map
WMAP haze

FERMI haze

•Not easy to explain these (non-disky) residual maps with disky sources•Quite similar morphology

DM annihilations ?
WMAP haze due to DM DM  e+ e-  synchrotron emission
FERMI haze due to DM DM  e+ e-  inverse-Compton for high-E photons
個人的なコメント：どれぐらいsignificantな話か、論文できちっと評価されていない

23

Axions ?
“String Axiverse”
Arvanitaki-Dimopoulos-Dubovsky-Kaloper-March-Russel
arXiv:0905.4720 and references therein

Hooper-Serpico-200724

Blazarとforegrounds
Giommi-Colafrancesco-Cavazzuti-Perri-Pittoni 2006

•Planckの超精密測定では差し引きがWMAPよりsevere•他の波長の情報を役立てられるか？
25

まとめ

今後～5年間のCMB実験
 Planckによる（決定的な）温度揺らぎ観測 地上・気球による偏光Bモード探索

Planck後 偏光Bモードに特化した衛星  小型で可能



ガンマ線天文学とCMBの相乗効果
 未開拓（except several ideas）
 Fermi, Planck がデータを出す画期的時代

 データによる刺激に期待
4月初旬に国立天文台でCMBの研究会をやる予定なので逆のトークをどなたかにお願いします26