COBAND実験2018 Nov. 22nd
飯田崇史(筑波大)
for the COBAND collaboration自己紹介
• 名前： 飯田崇史（いいだたかし）• 所属： 筑波大学・助教
2005年～

東大宇宙線研ツイッターやってます。
フォローしてください！！

神岡でスーパーカミオカンデ実験。
超新星爆発からの宇宙背景ニュートリノ探索で修士、博士論文

2010年～

クイーンズ大学（カナダ）

SNO+実験（2重ベータ崩壊探索、太陽ニュートリノ観測）

2013年～

大阪大学

CANDLES実験（2重ベータ崩壊探索）、暗黒物質探索2017年～

筑波大学

COBAND実験（ニュートリノ崩壊探索）、他

イマココ今日のお話ＳＴＪ検出器と極低温アンプに関しては、前回の6月に、武内先生から報告があった。

Nb/Al-STJ arrayΔ𝜃𝜃

8 rows𝜆𝜆

50 columns

今回は、望遠鏡や回折格子といった光学系の現状報告をする。
宇宙観測のプロからのアドバイス大歓迎です！！！

3目次• ＣＯＢＡＮＤ実験イントロ• 光学系設計• 回折格子• 今後の予定

ＣＯＢＡＮＤ実験
COsmic BAckground Neutrino Decay search

光の背景輻射～30万年後ニュートリノ背景輻射
～1秒後• 未発見の宇宙背景ニュートリノ（CνB）を探せ！
• 110 /cm3 の密度で存在している。
• それが崩壊して出た光をとらえる。

ニュートリノ崩壊• 素粒子標準理論において、ニュートリノだけが質量未測定。
• 他の素粒子よりも数桁小さい。
W
ν2
ν3
ν 3 →ν 2 + γ
τ,µγ• ∆m2 はニュートリノ振動実験で分かっている。

2m32 − m22 ∆m23=
Eγ =2m32m3
223−3Using ∆m = (2.43 ± 0.09) × 10 eV
Eγ = 10～25 meV at ν 3 rest frame.

2• Eγ （ニュートリノ崩壊光のエネルギー）を測れば、ニュートリノ質量を決定できる。

○予想されるニュートリノ寿命τ ~ O(1043) [year] in the standard model τ > 1017 [year] in the Left-Right symmetric model*※ Current experimental lower limit : τ > 1012 [year]*: PRL, 38, 1252 (1977)
PRD, 17, 1395 (1978)ニュートリノ崩壊光のＥ分布◎CνB崩壊光のスペクトル ニュートリノ質量で決まる位置で鋭いカットオフ！ （40-80µm）
𝑚𝑚1 ≪ 𝑚𝑚2 < 𝑚𝑚3 , 𝑚𝑚3 = 50 meV, m2 = 10 meV と仮定すると、
𝐸𝐸𝛾𝛾 𝜈𝜈3 → 𝜈𝜈2 + 𝛾𝛾 = 24 meV 𝜆𝜆=51μm
 赤方偏移によって低Ｅ側にテール
黄道輻射（Zodiacal Emission）
これまでの赤外線観測結果
𝐼𝐼𝜈𝜈 ~8MJy/sr
宇宙背景赤外輻射(CIB)
𝐼𝐼𝜈𝜈 ~0.1~0.5MJy/sr𝜏𝜏 = 5 × 1012 yr𝑠𝑠𝐼𝐼𝜈𝜈 ~0.5MJy/sr

Excluded (S.H.Kim 2012)𝜏𝜏 = 1 × 1014 yrs𝐼𝐼𝜈𝜈 ~25kJy/sr

Next target!!

遠赤外線の光
あかりの全天マップ
我々の見たい領域

我々の見たい領域

大気に吸収されるので宇宙で観測する必要あり。
熱放射で出てくる光がバックグラウンドになりうる。

ＣＯＢＡＮＤロケット実験

ニュートリノ寿命感度で、𝜏𝜏 𝜈𝜈3 = Ο 1014 yr𝑠𝑠 を目指す

JAXA S-520ロケット




•

Diameter: 520mm
Payload: 100kg
http://global.jaxa.jp/projects/rockets/s_rockets/

200-sec measurement ataltitude of 300km in 20XX.
光学系担当

9

ＣＯＢＡＮＤ実験光学系
λ = 40-80 µm (16-31 meV) の光を回折格子で分光。
 Nb/Al-STJを用いて遠赤外一光子をカウント。
 50(波長方向) x 8(空間方向)で計400 pixel使用。
Nb/Al-STJ arrayΔ𝜃𝜃

8 rows◎検討事項
望遠鏡の構造、焦点距離、回折格子 等々

𝜆𝜆50 columns
10ニュートリノ崩壊光に対する感度m(ν3)=50meV, τ(ν3)=2×1014y

Zodiacal Emission
40

50

60

7080
λ（μm)

L-R SM ζ=0.02,M(W2)=715GeVCOBAND rocket
200sec meas.

∑mi < 0.23eV

Excess due to Neutrino Decay∆m312 = 2.5×10-3eV2以下のパラーメータを仮定してシミュレーション• 望遠鏡主鏡口径: 15 cm• 8行 × 50列 (λ: 40 µm – 80 µm) のＳＴＪ検出器アレイ。
• 1 pixelの視野角: 100µrad × 100µrad• 測定時間: 200秒
• 光子検出効率: 100%

S.H.Kim et. al (2012)
Mirizzi et. al (2007)• ν3 寿命が2 × 1014 年なら5σ levelで測定が可能。

11

光学設計
一般的な反射望遠鏡の種類。
〇凹面鏡
本実験では、後段の光学系が複雑で場所を取るので不向き。

〇ハーシェル式（軸外し型）
主鏡に角度が付くため、収差が大きくなりやすい。迷光を少なく出来る。

〇カセグレン式
副鏡があるので、暗い像になる。副鏡の支え等の構造体で、迷光を作りやすい。収差は小さくしやすい。
※迷光：本来のルートを通らず検出器に入射する光。

光学系シミュレーション• Ｃｏｄｅ-Ｖというソフトを使用して、ＣＯＢＡＮＤ光学系をシミュレーション。
• Cassegrain Ritchy Chretien型を採用。
Simulated COBAND optical system
Main mirror

Secondary mirror
Diffractive STJ arraygrating
３Dの図• とりあえず分光出来た状態。
• 波長方向の収差は約100µmを達成した。

別の光学系設計（関学）• 主鏡の軸をずらした軸外し型望遠鏡を検討。
• 主に関学（松浦、橋本）が担当。

望遠鏡：F4焦点距離比 : 1:1

軸外し型
FIELD
POSITION

回折角-1.1 ～1.1゜

09-Jul-2018

RMS

0.00, 0.00
0.000,0.000 DG

0.00, 0.00
0.000,0.000 DG=

0.407918

0.221767

0.068073

0.181150

0.365604

100% =

0.651886

0.382431

0.121638

0.326154

0.596359

RMS=

0.381622

0.190811

0.000000

0.190811

0.381622

100% =

0.553996

0.276998

0.000000

0.276998

0.553996

収差100ミクロン以内.49475.76

New lens from CVMACRO:cvnewlens.seq

Position: 2
Scale: 0.33

MMXZ

11:31:56

DEFOCUSING -2.00000 -1.00000 0.00000

09-Jul-181.00000

MM2.00000

New lens from CVMACRO:cvnewlens.seq
POSITION

2３Dの図• 収差の面ではCassegrain Ritchy Chretienと大きな差が無いものが可能。
• 空間的に軸外し型が余裕あり？配置等、要検討• どちらが良いか、検討を進めている。

収差と回折限界の折り合い• 光学系の持ちうる解像力の限界を回折限界といい、以下の式で決まる。

• s = 1.22×fλ/D = λF

f: 焦点距離、λ: 波長、D: 主鏡直径

スポットサイズ [mm]• F値（=f/D）を小さくすれば回折限界は小さくなるが、収差が大きくなるので、そことトレードオフ。良い値を決める必要がある。
1.81.61.41.2
10.8
0.6
0.4
0.2
0

Diffraction limit(80um)
Diffraction limit(40um)
aberration (sphere)
aberration (parabolic)

024

F値

6810 シミュレーションの収差と回折限界の計算を比較すると、F値=2で二つの大きさが釣り合うことが分かった。
 この結果を使って今後、詳細な光学設計を進めていく予定。

回折格子
光学系の肝ともいえる最重要パーツ
遠赤外用の回折格子はレア。。。
堀場製作所で既製品を購入（＜￥20万）※特注すると1000万コースと言われた• サイズ： 50mm × 50mm×6mm• ブレーズ角： 26°45′• 溝間隔: 50µm

α: Incident angle
β: Reflected angle
d: Interval of groove
λ: Wavelength

α=45° d=50µm n=1 を仮定40-80 µm の波長を分光可能！！
※回折光の出る方向、回折効率などは実験結果に大きな影響を与えるのでしっかり理解する必要あり。

λ [µm]β [degree]

40 µm5.3°

60 µm29.5°

80 µm63.2°

回折格子シミュレータ••••

回折効率、回折角をシミュレーションして実験と比較したい！！
DiffractMODというシミュレーションソフト（Code Vの会社と同じ）
RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis、厳密結合波解析) 法
計算速度や精度の観点から回折光学素子の計算で用いられる。

••••

マクスウェル方程式からスタートして回折効率を計算してくれる。
右下の図のように各レイヤーステップごとに計算。
回折格子のＸ方向比誘電率をフーリエ級数展開で近似。
ステップの刻み幅や、級数展開の次数で精度が決まるが、もちろん精度を上げるとＣＰＵも食ってしまう。
• 将来的にはこれを使って回折格子を設計したい。
ＣＡＤでこんなのを書いて、無限にこれを並べる
ＲＣＷＡ法の概念図

これで手持ちの回折格子をシミュレーションしてデータと比較

シミュレーション結果• 入射角ごとの回折効率（35度、40度、45度）• 参考として、堀場にもらった値をプロット（入射角度等の測定条件の詳細は不明）• 形は良く似ているが、完全に一致はしない。
• シミュレーションはそれなりに正しそうなので次は実験と比較！
TE偏光
TM偏光

福井大学での回折格子試験• 福井大学遠赤外領域研究開発センター• 遠赤外線分子レーザー装置• CO2レーザーの光をCH3OD等に吸収させて、出てくる遠赤外の光を利用。
• 分子を変えることで様々な波長の光が利用可能となる。
発振波長
[μm]

42.647.657.270.5

試料ガス

偏光方向

FIR出力
[mW]

CO2出力
[mW]

CD3 OH||

2.071.4||

36.666.5⊥

2868.6⊥3071.4CH3 OD

CH3 OD

CH3 OH

強度や偏光方向を考慮し、今回は４種類の波長を測定した。

実験セットアップ• レーザーからの出力は数mrad広がっているため、凹面鏡を用いて平行光を作った。
• また、レーザーは共振管の温度変化等により、強度が若干不安定なので、モニターとの比を取った。
• 回折格子を回転させて、各波長ごとに入射角を変えながら、回折角β、回折効率を測定した。
焦電検出器
平面鏡60mm

遠赤外分子レーザー

ハーフミラー

350mm

11.9°

凹面鏡
(f = 750mm)

凸レンズ(F=150mm)

ビームモニター（焦電検出器5mmφ）

回折格子

回折角測定結果 (ＴＥ偏光)測定結果とシミュレーションの比較
42.6 µm

点：データ
線：シミュレーション

47.6 µm

1次光

1次光

0次光

0次光

横軸： α
縦軸： β

ほぼ一致！！

回折角測定結果 (ＴＭ偏光)測定結果とシミュレーションの比較

点：データ
線：シミュレーション

70.5 µm57.2 µm

1次光

0次光

1次光

0次光

1点だけ外れた。ほぼ10度の違いなので、測定時に目盛りを見間違えた可能性。

回折効率測定結果（ＴＥ偏光）
測定結果とシミュレーションの比較
42.6 µm

点：データ
線：シミュレーション

47.6 µm

0次光
1次光
0次光

1次光

横軸： レーザー入射角度
縦軸： 回折効率＝1次光強度/(0次＋1次)0次光の場合は分子が0次光の強度、強度は全てモニターとの比

回折効率測定結果（ＴＭ偏光）
測定結果とシミュレーションの比較

点：データ
線：シミュレーション

70.5 µm57.2 µm

1次光

0次光

1次光

0次光

横軸： レーザー入射角度
縦軸： 回折効率＝1次光強度/(0次＋1次)0次光の場合は分子が0次光の強度、強度は全てモニター強度で補正レーザーの広がりを補正• 回折格子入射前後のレーザー光を100µmごとにスキャン。ビームプロファイルを測定した。波長57.2µm、入射角45度のみ。
• 山が３つ見えているが、反射後もその形は保っている。
• 回折格子反射後、水平方向の幅が1.5倍程度広がっていた。0次光はほぼ影響なし。
• この形状を全ての波長、角度で仮定して補正をかけた。
回折格子反射後

回折格子反射前水平方向①4σ= 6.53 ± 0.23 mm②②4σ= 10.17 ± 0.16 mm①

水平方向のみなので、波長が広がっているかと考えたが、分子レーザーの波長は原理的に非常に単一。レーザーの広がりは、回折格子の分解能から来ているかもしれない。

今後の予定山が３つあるので、絞りを入れて一山の状態で再測定。
拡がったとしても問題ないよう９ｍｍの大きい検出器で測定を行う。
ＣＯＢＡＮＤ専用の回折格子（分散角＝数度@40-80µm）を作成。デザインを進めている。
特注は高いので、町工場レベルで作ってくれるところを探してます。精度数ミクロンで良い。誰か良いところ知ってたら教えてください！！
 F値=2で収差と回折限界が出来るだけ小さく出来、かつ空間的に余裕のある光学設計を行う。
 光学系の試作をして、振動試験や冷却試験、分光試験等を行う。

ＣＯＢＡＮＤ用回折格子の設計
波長40um~80umで回折角の変化が16°の回折格子の設計。
光学系の収差を小さくするための要請。
 溝幅d=155[um],ブレーズ角θ=7.41°で設計
 波長による回折角の変化
β40~26.68 β80~11.00

20um

＠入射角45°

7.41°
155um

長い光への回折効率が低くなる問題。
ブレーズ角、溝幅、入射角を変えて、良い解を見つけたい。

BackupThank you everyone!!