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宇宙マイクロ波背景放射実験と低温工学

宇宙マイクロ波背景放射実験と低温工学. 2008.12.24 超流動ヘリウム冷却システム技術調査研究会 高エネ研　都丸 隆行. 問題. ロケットでいくつかの物質を宇宙空間に運んだとき、次のどれが 達成できるでしょうか？ （周囲には何も無い深宇宙空間、ガスの圧力は１気圧とします。）. ↑. 答え： 液体 He ができる。. 宇宙空間の温度 ＝ 2.725 K 　　　　　　　　　　＝ 宇宙マイクロ波背景放射の温度. WMAP 衛星. 2.7K へ. Thermal Radiator. 太陽からの輻射シールド. 1. 宇宙マイクロ波背景放射（ CMB ）とは.

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宇宙マイクロ波背景放射実験と低温工学

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  1. 宇宙マイクロ波背景放射実験と低温工学 2008.12.24 超流動ヘリウム冷却システム技術調査研究会 高エネ研　都丸隆行

  2. 問題 ロケットでいくつかの物質を宇宙空間に運んだとき、次のどれが 達成できるでしょうか？ （周囲には何も無い深宇宙空間、ガスの圧力は１気圧とします。） ↑ 答え：液体Heができる。

  3. 宇宙空間の温度＝ 2.725 K 　　　　　　　　　　＝宇宙マイクロ波背景放射の温度 WMAP衛星 2.7Kへ Thermal Radiator 太陽からの輻射シールド

  4. 1.宇宙マイクロ波背景放射（CMB）とは ビッグバン宇宙論　（ガモフ、1948） 宇宙に存在する物質の73 wt%は水素、24 wt%はヘリウム、 これより重い元素はわずか3 wt%である。なぜ？ → 宇宙初期に高温の火の玉状態が存在すれば、核反応で 　効率よく軽元素を合成できる。 物質と光の 高温スープ状 宇宙 光が直進出来るよう になる 宇宙の晴れ上がり 宇宙膨張 → T = 3000K 宇宙誕生から38万年後 “透明な”宇宙

  5. T=3000Kで放射された電磁波は、宇宙膨張と共に波長が引き延ばされる。T=3000Kで放射された電磁波は、宇宙膨張と共に波長が引き延ばされる。 ビッグバン宇宙論からの帰結 → 現在の宇宙では、プランク分布（黒体輻射）を持つ、 　温度〜5Kのマイクロ波となっているはず。 全宇宙はこのマイクロ波で充たされている！ ・1947年　コンビントン（カナダ） ・1951年　田中春夫（名大） ・1960年　ディッケとウィルキンソン（米国） ・1965年　ペンジアスとウィルソン（米国）

  6. 空 基準光源１（常温３００K） 基準光源２（６００K） T２ 温 度 T１ T空 強度 めい 宇宙の温度が< 5K であることを 示した。 名大グループ（1951） Calibrationの温度が高かった。

  7. 1965年　ペンジアスとウィルソン 基準光源１ （３００K) 基準光源２ （液体ヘリウム４K) 空 波長7.3cm線の通信アンテナで宇宙から一様に 降り注ぐ電波を発見。 温 度 求められた温度3.5K T１ Calibration 温度が十分 低かったのが勝因 1978年ノーベル賞 T２ T空

  8. 1989年　COBE衛星 キレイな黒体輻射であることを確認 温度は2.725K ダイポール成分 （地球の固有運動） は除去 ΔT = 10μKで温度分布が存在することを確認。 DMRによる温度差計測 宇宙の誕生からわずか38万年後には、宇宙の階層構造を作るタネが存在した！ （重力不安定説の根拠） 2006年度ノーベル物理学賞

  9. 64GHzで0.2度角の極めて高分解能のCMB 温度分布測定を達成 2001 WMAP衛星 温度揺らぎの空間分布 パワースペクトラム解析 再結合期の 音地平線 特徴的なピークの形状・大きさから 様々な宇宙論パラメータを決定できる。 音地平線：音速で到達できる限界領域 　　　再結合期の音地平線の大きさは、 　　　現在で0.8°（〜月の視直径）

  10. WMAPのもたらした驚くべき事実 宇宙の組成 ダークエネルギー 74% 宇宙物理学は精密観測の時代に 入ると共に、さらなる謎も深まった。 ダークマター 22% 通常物質 4%

  11. 2. CMBによる原始重力波探査 WMAPによるCMB偏光の観測　 →CMBの偏光情報から宇宙を探ることが 次の大きな課題 CMB Eモード B. Winstein 基本的なメカニズム：トムソン散乱

  12. ここ10年くらいの理論的研究で分かってきたこと：ここ10年くらいの理論的研究で分かってきたこと： CMBの偏光には、インフレーション時に放射された重力波の 情報が刻まれている！ 重力波のみで生成可能な特徴的な 偏光分布パターンを生じる トムソン散乱（Eモード） 重力波（Bモード）

  13. なぜそれほどCMB Bモードが重要か？ 宇宙の歴史

  14. 宇宙を語る言葉 A. Einstein 一般相対性理論 （古典論） ・特殊相対性理論（1905） 〜 光速に近い等速運動を記述した 座標変換の理論 ・一般相対性理論（1916） 〜 重力の理論 ニュートンの重力理論（1687） 一般相対論 m m m 万有引力（力学） 時空の幾何学 インフレーション時に放射された重力波 → 量子重力理論

  15. 3. Lite BIRD計画 現在米国を中心に地上のミリ波望遠鏡でCMB B modeを検出しようとする計画が乱立中。 しかし、本格的な観測のためには、人工衛星が必用。 今年、KEK素核研を中心に 宇宙物理実験グループが 誕生 世界に先駆けてCMB B modeの検出を行うため、 10年後の人工衛星打ち上 げを目指す。

  16. Group members • Name                         Institution            Role* Hideo Matsuhara         JAXA                JAXA PI, orbit, scan Kazuhisa Mitsuda        JAXA                PSD Tetsuya Yoshida          JAXA                Tests with Baloons Yoichi Sato                 JAXA                 Thermal engineering Hiroyuki Sugita            JAXA                Thermal engineering Hirokazu Ishino           Okayama Univ.  DAQ, PSD Atsuko Kibayashi        Okayama Univ.  Simulation Tomotake Matsumura  Caltech              Orbit, scan, optics Adrian Lee                   UC Berkeley     PI for foreign institutions, PSD, modulation scheme Izumi Ota                     Kinki Univ.        Evaluation of optics Mitsuhiro Yoshida        KEK                 Optics Nobuaki Sato               KEK                 Simulation Kazutaka Sumisawa     KEK                 PSD Osamu Tajima              KEK                 systematic errors Masashi Hazumi           KEK                 PI Toshikazu Suzuki          KEK                 Thermal engineering Takayuki Tomaru         KEK                  Thermal engineering, modulation scheme Masaya Hasegawa       KEK                  Tests with baloons Takeo Higuchi              KEK                  DAQ • Eichiro Komatsu    UT Austin      ScienceYoshinori Uzawa          NAOJ                PSD Yutaro Sekimoto          NAOJ                PSD Takashi Noguchi          NAOJ                 PSD Makoto Hattori            Tohoku Univ.      Foregrounds, • systematic errors Chiko Otani                  RIKEN              PSD *Roles should not be restricted to those listed here. Consultants (no duty on real work) Name              Institution   Role                   Cf. -------------------------------------------------------------------- Takao Nakagawa  JAXA    Satellite         SPICA PI Shuji Matsuura      JAXA   Satellite Hideo Kodama      KEK      Science          theorist Ryohei Kawabe     NAOJ   optics, PSD   ASTE member --------------------------------------------------------------------- 今年10月にJAXAへWorking Group申請 ↓ 承認

  17. LiteBIRDの感度曲線 Figure by Yuji Chinone

  18. LiteBIRDの特徴 ・小型衛星 　　ミッション部 < 200kg 　　トータル　< 400kg 　　消費電力　< 500W ・周波数帯域 90GHz, 150GHz, etc ・軌道 L2 or 太陽同期軌道 ・ Sensitivity Total NET < 1μK/rHz → 超伝導ディテクター 1000ch detector Array 赤外線天文衛星SPICAと同様の無冷媒クライオスタット 方式を採用予定。

  19. LiteBIRDの冷凍システムの素案 SPICAの冷凍システムに準拠したもの を想定している。 2段 Sterling 90K こんな感じか？ 20K 2段 ADR 〜2K ・ TESだと漏れ磁場に弱い。 → 十分な磁気シールドが必用。 ・振動対策 ・小電力 ・ Radiative Coolingの十分な活用。 ・十分な輻射シールド などなど。 〜0.5 K 3He JT 〜0.1 K

  20. 4. LiteBIRDへ向けた低温・超伝導のR&D （1）超伝導ディテクター クーパーペアの壊れやすい性質を利用した、非常に高感度のディテクタ。 フォトンカウンティングを可能にする。 材質（エネルギーギャップ）の選択により マイクロ波領域からガンマ線領域まで、 様々な帯域のセンサーを作ることが可能。 ・熱型（転移端センサー, TES） ・電子対解離型（STJ） ・超伝導ミキサー ・マイクロ波インダクタンスセンサー

  21. ① Transition Edge Sensor（TES, 転移端センサー） 1940年代に開発。 1990年代にようやく実用化。

  22. A. Lee TESボロメータの長所 ・すでに実用化フェーズにある。 ・大きなアレイ数のディテクタが可能。 TESボロメータの短所 ・SQUIDが必用。 ・応答があまり早くない。 カリフォルニア大学 バークレー校 （PolarBEAR project）の Antenna Coupled TES A. Lee Al/Ti bilayer, Tc=0.4〜0.6K LiteBIRDはU.C. Berkley と提携し、TESボロメータ を導入する予定。 レンズレット • 40 single-color dual-pol pixels (4 wedges = 320 bolos) • 90 (15 pixels), 150 (15), 220 (10) GHz • Optical testing started Antenna Coupled TES

  23. ② Superconducting Tunneling Junction（STJ）

  24. STJの長所 ・応答が速い ・カバーできる周波数帯域が広い（Al STJでは40GHz以上） ・漏れ磁場に強い KEK・岡大・理研のグループでは、CMB用のAl STJ素子開発を進めている。 アンテナ接続Al/Nb-STJ試作 作成条件が既知のNb/Al-STJで試作 S I S アンテナ結合ＳＴＪ Ｘ線用ＳＴＪ

  25. Nb/Al-STJ 以下の赤で囲んだ部分が STJ(SIS構造) ミリ波 クーパー対を壊して検出 GNDへ Nb配線 Nb（Ｓ） Al（Ｓ）/AlOx（Ｉ）/Al（Ｓ） Nb(アンテナ) AlO3(バッファ) Si基盤 １００μm パッドへ Al-STJ 注：Ｎｂ配線の下のSiO2は見にくいので省略してある。 　　段差などは割と適当。 ミリ波 クーパー対を壊して検出 GNDへ Nb配線 Al（Ｓ）/AlOx（Ｉ）/Al（Ｓ） Al(アンテナ) AlO3(バッファ) Si基盤 １００μm パッドへ

  26. じゅ STJの振る舞い：　I-V図 正しく動作して いない場合 正しく動作して いる場合 クーパー対も 動けない 準粒子は動けない

  27. Nb/Al-STJの試験Ｈｅ４デュアーを使ったI-V測定 ・　ダイヤ型ＳＴＪ（100μm） 1.6K 1.6K 0.63K 縦軸：10mA/div 縦軸：50μA/div 縦軸：5nA/div リークカレント 5nA＠200μV ＊40μA (1.6K) 磁場有り 磁場有り 横軸：0.2mV/div 横軸：1mV/div 横軸：0.5mV/div ・アンテナ接続ＳＴＪ（φ７μｍ x 2） 1.6K 1.6K 0.63K 縦軸：50μA/div 縦軸：500nA/div 縦軸：1nA/div 1MΩ リークカレント 0.3nA @ 400μV ＊180nA (1.6K) 磁場有り 磁場有り 横軸：2mV/div 横軸：1mV/div 横軸：0.5mV/div 最終的に > 40GHz以上の 広帯域特性を持つAl STJへ 発展させる予定 両方ともうまく作成出来た。 今後：東北理研でミリ波照射のテストを行う。

  28. 新しいクリーンルーム Room A: 15m x 10m (Class 10000) Room B: 15m x 10m (Class 100000) Yellow room: 5m x 6m (Class 1000, in Room A) A picture of the experimental hall in which the clean rooms were built. B A Y Mask aligner (Mar.08) Sputtering/Etching machines (~Aug.08 from RIKEN)

  29. 雑談：「猫用トイレ問題」 米国とメキシコ・カナダ国境では、テロリストによる高濃縮ウランの密輸阻止のため、 厳しいチェックが行われている。 ウラン235から放射される185.7keVのガンマ線を半導体センサーで探査。 しかし、猫用トイレの材料の粘土に含まれるラジウム226が放射する186.1keVの ガンマ線との識別ができず、国境警備に頭を悩ませている。 超伝導センサーの普及により、国境警備隊は猫が好きになれるかもしれない。

  30. Al STJの性能試験に向け、極低温冷凍機等を整備中 0.3K 3He sorption冷凍機 希釈冷凍機 200mW@100mK

  31. （2）低温キャリブレーションソースの開発

  32. 5. まとめ ・宇宙マイクロ波背景放射（CMB）は初期宇宙を解明する重要なプローブである。 WMAPにより、宇宙観測は黄金時代を迎えた。 ・CMBの偏光計測は、インフレーション時に放射された初期重力波の情報を持っており、 宇宙誕生の謎や量子重力の世界を解明できる可能性がある。 ・KEK宇宙実験グループでは、LiteBIRD衛星計画で、この問題に挑む。 ・CMBの温度は2.7Kと極低温で、必然的に低温技術が大きな役割を果たす。 ・非常に高感度の超伝導センサーが必須で、KEKでは特にSTJの開発を進めている。 U.C. BerkleyではTESの開発で先行している。 ・低温キャリブレーターも開発中。 10年後の観測に向け、スタートを切った。ご支援よろしくお願いします。

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