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 7 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 8 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 10 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 11 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 12 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 13 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 14 バックアップスライド 2015/3/21 日本物理学会＠早稲田大学 15 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 16 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 17 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. 19 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 20 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 21 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 22