ビッグバン以前を探る - KEK · 概要 1. ビッグバン宇宙論入門 2. 宇宙背景放射観測プロジェクト概要 3. 超伝導マイクロ波検出器 2010/9/16

ビッグバン以前を探る超伝導マイクロ波検出器による宇宙背景放射観測

羽澄昌史

高エネルギー加速器研究機構（KEK）

素粒子原子核研究所2010年9月16日

日本応用物理学会

概要

1.ビッグバン宇宙論入門

2.宇宙背景放射観測プロジェクト概要

3.超伝導マイクロ波検出器

2010/9/16 日本応用物理学会 2

1. ビッグバン宇宙論入門


我々の宇宙のサイズ

ビッグバン

Courtesy of Wayne Hu

ビッグバン＝空間そのものの膨張

42010/9/16 日本応用物理学会

ビッグバン宇宙論の原理と観測


一般相対論（アインシュタイン方程式）

宇宙原理（宇宙は一様等方）

膨張宇宙の方程式

標準ビッグバン宇宙論（LCDM model）

ダークマターダークエネルギー

メトリックの時間発展

gmn =

-1 0 0 0

0 a2(t) 0 0

0 0 a2(t) 0

0 0 0 a2(t)

a(t) スケール因子

宇宙背景放射ビッグバン元素合成赤方偏移

観測結果をよく説明できる

宇宙マイクロ波背景放射Cosmic Microwave Background (CMB)


a = 1, T = 3K

a = 0.001, T=3000K

40

宇宙マイクロ波背景放射の発見（１９６５）

Arno A. Penzias Robert W. Wilson

1978年ノーベル物理学賞


マイクロ波宇宙地図

8

3 K


衛星観測１：ＣＯＢＥ衛星

9

John C. Mather George F. Smoot

2006年ノーベル物理学賞

１９８９－１９９３2010/9/16 日本応用物理学会

ＣＯＢＥの衝撃的結果（１）

10

COBE

160GHz

2.7250.002 K (1999)

完全なる黒体放射！（プランク分布）

ビッグバン宇宙論の予想に一致


ＣＯＢＥの衝撃的結果（２）

11

30マイクロケルビン程度のでこぼこ（異方性）がある

温度揺らぎ（平均を差し引いた残り）の分布

これは量子論的ゆらぎであり、それが、やがて銀河へと成長したと考えられている。つまり人類の起源は量子ゆらぎ！

T=2.7250.002 K

1K

100mK

10mK

1mK

100mK

10mK

DT = 0K


衛星観測２：ＷＭＡＰ衛星

２００１年打ち上げ２０１０年８月観測終了

12

大きな望遠鏡で角度分解能が高い


ＣＯＢＥＷＭＡＰ

圧倒的な解像度の向上が何をもたらしたか？


ＷＭＡＰの衝撃的結果（１）宇宙の年齢は137億年

14

温度（明るさ）の全天マップ

スペクトル解析

パワースペクトルピークの位置から宇宙年齢がわかる。

アナロジー：音の高さから笛の長さがわかる

誤差２％以下


ＷＭＡＰの衝撃的結果（２）宇宙の謎のエネルギー成分をあぶりだした

15

ダークエネルギー

ダークマタ－

素粒子標準理論で説明できる部分


http://map.gsfc.nasa.gov/resources/camb_tool/cmb_plot.swf 162010/9/16 日本応用物理学会


ビッグバン理論の限界：地平線問題“会ったことない人が口裏合わせる問題”

18

離れすぎていて、過去に情報を交換することができないように見えるなぜ、ＣＭＢの温度（強度）は同じなのか？2010/9/16 日本応用物理学会

T=2.7250.002 K

19

光速で情報のやりとりができる範囲（因果の地平線）

インフレーションの物理モデル（後述）を作ってみると

その後急激な加速膨張（インフレーション）で因果を断ち切る

秒の間に倍になればよい


0.0000000000000000000000000000000000001

100000000000000000000000000

宇宙のインフレーション仮説“実は過去に口裏合わせていた”

インフレーションの役割

• ビッグバン宇宙論の未解決問題と解決策• 宇宙の一様性（地平線問題）過去に信号やりとり

• 宇宙の平坦性ひきのばされる

• 宇宙の構造形成量子ゆらぎ

2010/9/16 日本応用物理学会 20

a(t)の加速増加極めて一般的な原理と観測結果だけから、ここに「追い込まれて」いる。インフレーションは極めて自然な解。一方、これは「万有斥力」の存在を示唆する。それは何？

インフレーションの物理モデル

• 新しいスカラー場（インフラトン）を導入すれば、「万有斥力」（負の圧力）を作れる。

• なだらかなポテンシャルをもつスカラー場を一つ入れるだけでＯＫ（Single-field slow roll inflation）

• 標準的なインフレーションポテンシャルエネルギーは

“たまたま”力の大統一理論のエネルギースケールに一致する！

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アインシュタイン方程式

2010/9/16 22日本応用物理学会

時空の曲がり具合物質のエネルギー運動量

アインシュタインテンソルエネルギー運動量テンソル

インフラトンのポテンシャル

（宇宙項は省略）

アナロジー

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超伝導宇宙のインフレーション

GL

BCS

インフラトン

量子重力理論（スーパーストリング？ループ量子重力？）

ビッグバンＣＭＢ


理論の最も大事な予言

急激な膨張にともなう重力波（メトリックの揺らぎ）の生成

重力子

重力子

あっという間に離れるので再結合せず実体化

天体現象による重力波と区別して、原始重力波と呼ぶ 252010/9/16 日本応用物理学会

原始重力波がCMBに与える影響

2010/9/16 日本応用物理学会 26

137億年38万年

現在

宇宙の始まり

宇宙年齢

インフレーション期晴れ上がり（再結合期）

原始重力波

10-36秒

ビッグバン

宇宙マイクロ波背景放射（CMB）直線偏光マップ

原始重力波なし E-modeのみ

原始重力波がCMBに与える影響

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137億年38万年

現在

宇宙の始まり

宇宙年齢

インフレーション期晴れ上がり（再結合期）

原始重力波

10-36秒

ビッグバン

宇宙マイクロ波背景放射（CMB）直線偏光マップ

原始重力波なし E-modeと

B-modeが生まれる！

原始重力波により、パリティが負のCMB偏光が作られる

28

CMB偏光Bモードのパワースペクトル（予想）

W. Hu

et

al. a

stro

-ph

/0210096

Temperature Anisotropy

V1/4 = 1.1 1016 (r/0.01)1/4 GeV

~2deg

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！

inflation

potential


ビッグバン宇宙論入門：まとめ

• ビッグバン＋ダークマター＋ダークエネルギーで観測をよく説明できる– 標準宇宙モデル（LCDM model）の確立

• ビッグバンの限界インフレーション仮説

• インフレーション仮説の最も重要な予言＝原始重力波– ビッグバン以前に生成された重力波

• 最も感度のよい原始重力波検出方法＝CMB偏光Bモードの観測

2010/9/16 日本応用物理学会 29

２．宇宙背景放射観測プロジェクト概要

2010/9/16 日本応用物理学会 30

137億年38万年

ダークエイジ銀河形成・成長期

1億年

現在

宇宙の始まり

10億年宇宙年齢

インフレーション期再結合期宇宙再電離

Bモード偏光（重力波）

初代天体

原始赤外銀河

10-36秒

A03（JAXA・松浦）

CIRB観測

A05（KEK・小玉）

究極理論

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－

?

31

A01（KEK・羽澄）

CMB偏光Bモード測定

A04（東北大・服部）

前景放射分離宇宙マイクロ波背景放射（CMB）

宇宙赤外線背景放射（CIRB）

A02（理研・大谷）

超伝導検出器

平成21－25年度領域代表・羽澄（KEK）

ｈｔｔｐ://cbr.kek.jp/


観測装置の概要

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CMBフォトン

光学系

レシーバーシステム

クライオスタット

冷凍機システム

偏光計アレイ

読み出しエレクトロニクス

（DAQ)

システム制御

アンテナ

方向を制御

記録媒体

• アンテナ・光学系：ゆがみや交差偏波を最小にする

• 偏光計アレイ：光子ゆらぎ（ＣＭＢ＋環境）より小さなノイズ装置のエッセンス

ＱＵＩＥＴ実験

33

WMAP 3yr

polarization analysis

検出器内部HEMTを用いたオンチップ偏光検出素子40, 90 GHz

QUIETは单米チリ、アタカマ高地(標高5,000m)

に設置。現在データ取得中！

~４０人の国際協力2010/9/16 日本応用物理学会

POLARBEAR実験

34

２０１０年８月にカリフォルニアでの試験を終了。２０１０年末にチリに移設予定カリフォルニア大バークレー校などとの共同実験

ＱＵＩＥＴより感度の高い検出器：超低温（0.3K）、超伝導ＴＥＳボロメータアレイ150GHz, 220GHz2010/9/16 日本応用物理学会

目標１

• 地上観測(QUIET、POLARBEAR)

を推進し、今後4年間で

r=0.01までの探索を行い、論文を発表する

多くのインフレーションモデルで発見が予言されている領域を初めて探索

0.20 (WMAP etc.) 0.01


小型科学衛星LiteBIRD.

Lite (light) Satellite for the studies of B-mode polarization and

Inflation 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

「ビッグバンの前を探る」 2008年9月にJAXAの

小型科学衛星WGとして承認日本主導のプロジェクト

宇宙空間における１００GHzを中心としたCMB偏光全天観測

特長：「究極の測定」を小型で実現（高い角度分解能は必要ない）


目標２

•世界に先駆けて２０１０年代にBモード観測衛星LiteBIRD

を打ち上げるための基盤を確立*

*「提案が認められたら実行できる」技術的・学術的基盤を確立


LiteBIRDの感度

38

(LiteBIRD)

理論予想例Pagano-Cooray-Melchiorri

-Kamionkowski 2007

LiteBIRDについては統計誤差のみ


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）、 SPICA, DIOS, 大気球

• 篠崎慶亮、佐藤洋一、杉田寛之（ARD/JAXA）、

• 石野宏和、樹林敦子、服部香里、三澤尚典、美馬覚（岡山大理）、

• Adnan, Ghribi、William Holzapfel、Bradley Johnson、Adrian Lee、 Paul Richards、Aritoki Suzuki、Huan Tran(UC Berkeley/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）、

• 石徹白晃治、片山伸彦、佐藤伸明、住澤一高、田島治、永井誠、永田竜、西野玄記、羽澄昌史、長谷川雅也、樋口岳雄、松村知岳（IPNS/KEK）、 QUIET, POLARBEAR （松村はさらにPlanck, BICEP, EBEX）

• 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）、

• 茅根裕司、服部誠（東北大理）、 QUIET（茅根）

• 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)

４６名２０１０年９月１３日現在


3. 超伝導マイクロ波検出器

• POLARBEARのTESボロメータ

• LiteBIRD用超伝導マイクロ波検出器開発

2010/9/16 日本応用物理学会 40

POLARBEAR: Berkeley-type TESボロメータ概念図

41

UC Berkeleyによる開発Adrian Lee et al.

“可変抵抗”

CMB


POLARBEAR焦点面検出器

42

POLARBEARではアンテナ結合型TESボロメータによりCMBを観測する

1枚のウェーファーに91対

7枚のウェーファーで観測(@チリ)

合計1274個のボロメータ 1’ピクセルあたりのノイズレベル：Wp-1/2=5μK (150GHz・2年間)

レンズ


フィルター(150GHz or 220GHz)

TESボロメータ(Al/Ti bilayer, ~0.25K,NEP ~ 4 x 10-17 W/Hz)

アンテナ(直交するアンテナが対に)

2個のアンテナ・ボロメータの組み合わせが対になり1個のピクセルを構成


POLARBEAR：信号多重化

43


POLARBEARでは８チャンネルを多重化

交流バイアスボルテージ0.3 – 1 MHz


44

capacitors

inductors

Bolometer wafer

FPGA-based

Oscillator-Demodulators

NIST squids

POLARBEAR読み出し系写真

バックエンド(M. Dobbs, McGill Univ.)2010/9/16 日本応用物理学会

POLARBEAR－II

• KEKがレシーバーシステム製作担当

–低温部（100mK）はKEK低温センターと筑波大

– JAXAのX線天文グループとの技術提携

• 検出器はバークレイの二色TES（90, 150GHz）

–実効ピクセル数＝3038

• 2013年搭載予定

2010/9/16 日本応用物理学会 45

2010/9/16 日本応用物理学会 46

~40cm

3. 超伝導マイクロ波検出器

• POLARBEARのTESボロメータ

• LiteBIRD用超伝導マイクロ波検出器開発

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CMBフォトンおさらい

• (2.725±0.002) Kの黒体放射 (160GHzでピークを持つプランク分布)

• ~400個/cm3

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COBE光子数密度

n =

測定されるCMBパワーは「またたく」（photon noise）

検出器感度(NEP)とrの感度(LiteBIRDの例)

2010/9/16 日本応用物理学会 49

0.25K(Al, 0.1K)

LiteBIRD焦点面検出器の性能要求

• CMBそのものの「またたき」(photon noise)より十分低い性能を持つ検出器 : NEP < 2 x 10-18 W/Hz

• 統計は、検出器素子数を増やしてかせぐ（アレイ化）：トータルの感度（２年の観測）は2mKarcmin （２０００素子程度となる）

• ６０－２５０GHｚで５バンド以上をカバーする。それぞれのバンドで幅Dn/n = 0.3を達成すること

• 1/fノイズが無視できる：スキャンの周期によるが、典型的な要求は 1/f “knee” < 100mHz

• LiteBIRD特有の条件– 小型：焦点面サイズ30cm x 50cmの楕円

– 低消費電力：読み出し消費電力総計 100W以下

– 軽量：ミッション部全体で200Kg以下

2010/9/16 日本応用物理学会 50

候補となる超伝導検出器• 0.1K程度でのoperationが必要

• ADRによる冷却を想定：漏れ磁場に強い構造が必要

• アレイ化・信号多重化に適している（低温部での発熱対策）

2010/9/16 日本応用物理学会 51

TES

Transition Edge Sensor

ボロメータ

“Variable Resistor”

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0.49 0.5 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57

T (Kelvin)

R (

Oh

m)

Bias point

転移温度付近での抵抗変化

STJ MKID

クーパー対破壊型

Superconducting

Tunnel Junction SensorMicrowave Kinetic

Inductance Detector“Photoconductor” “Variable Inductor”

超伝導体絶縁体超伝導体

TES開発：Berkeley 3色TES

52

• TES w/ Al-Mn alloys

• 100mK operation

• 直線偏光

• 広域周波帯アンテナ３つの周波数帯域に分ける

バンドパスフィルター


TES開発：Berkeley 3色TES：測定結果

53

信号を確認！

T. Suzuki and R. O’Brient (UC Berkeley)

偏光への応答も確認！


Al-Ti bi-layer

日本グループ開発体制（新学術領域）• ２００９年秋より理研・国立天文台・KEK・岡山大の連携で開発開始

• 大谷知行（代表）、佐藤広海、有吉誠一郎(理研）、関本裕太郎、野口卓、鵜沢佳徳（国立天文台）、吉田光宏、都丸隆行、樋口岳雄（KEK）、石野宏和（岡山大）

• クーパー対破壊型（STJ、MKID）の開発• 理研：テラヘルツ工学で培った技術（STJセンサー）

• 国立天文台：ALMAの受信機開発で培った技術（SISミキサー）

• KEK、岡山大：高エネルギー実験で培った信号読み出し技術、CMBに特化したセンサー開発

– 目下の開発項目• STJ:Al卖結晶膜実現による漏れ電流低減

• MKID: とにかくスタート！


MKIDの動作原理(Microwave Kinetic Inductance Detector)


５Benjamin A.Mazin,”Microwave Kinetic Inductance Detectors”2004

超伝導マイクロ波共振器

アンテナ

～5GHz

ＣＭＢ（～100ＧＨｚ）

Feed Line

共振周波数がずれる

f[GHz]f0

δf

ＨＥＭＴ

MKIDのノイズ：原理的リミットは、G-Rノイズ 100mKでNEP < 2 x 10-18W/Hzを実現可能

MKID: 信号多重化の原理

56

共振器の長さが異なるので、共振周波数のずれから入射座標と入力パワーが分かる

Q値が高いＭＫＩＤｓを作れば、数10ＭＨｚのＡＤＣ一つで1000個の素子の読み出しが可能

～5GHz frequency comb

Photon

ＨＥＭＴ

01 -Q

５ＧＨｚ

δf

６ＧＨｚω0 ω1

ω

f[GHz]

長さが異なる共振器


57

Design of Superconducting Resonator Camera


T. Nitta

2010/9/16 日本応用物理学会 58

Superconducting Resonator

M. Naruse

Nb-MKIDs × 32ch の測定

Q / f 双方のばらつき CPWからマイクロストリップへ変更予定

52MHz (1.63MHz×32ch)2Δf = 0.04MHz

→ Q=150,000

KEK

本年３月に開始した新しい試みKEK測定器開発室クリーンルームにて作成


Al-MKIDs

96GHz

ミリ波照射

Q～5000程度@ 0.32 K

希釈冷凍機(100 mK)

で試験予定

KEK

ミリ波を初観測！


多色MKIDs のデザイン

Log Periodic Antenna

Filter

MKIDs

→ ９月中に試験予定

KEK


MKIDs Readout 試験案

FPGA

D/A

D/A

A/D

A/D

6 GHzHEMT

MKIDs×32

t

cos tω

tsinωcos tω

tsinω

cos n

n

tD ω

cos n

n

tD ω- ω

1 32 -D -Dω ω

I

Q

I

Q

sin n

n

tD ω ・・・・

+ + +

+ + +

I

Q

I

Q

I

Q

・・・・

FPGA内

・・・・1Dω

nDω

Aφ

φ

加速器制御技術を転用（RFフィードバック）

吉田光宏KEK


LiteBIRD焦点面感度

63

Berkeley-type ３色TESを想定読み出しは48ch多重化, 2W/SQUIDを仮定


T. Matsumura,T. Suzuki

LiteBIRD焦点面デザイン


T. Matsumura,T. Suzuki

Take home messages

• CMB偏光Bモードをとらえることができれば、ビッグバン以前の宇宙からの信号（原始重力波）を検出できる！

• 成功のカギを握るのは超伝導マイクロ波検出器アレイ！

• 皆様の積極的な参入を歓迎します！– コンタクト：大谷（理研）、関本（国立天文台）、石野（岡山）、羽澄（KEK）

2010/9/16 日本応用物理学会 65

新しい眼が新しい宇宙像を拓く

66

CMBの発見（ペンジャス、ウィルソン）１９７８年ノーベル物理学賞「ビッグバンの証拠」1K

1mK

1nK

CMB非等方性の発見、プランク分布の証明（マザー、スムート）２００６年ノーベル物理学賞「インフレーション宇宙を示唆、時空の量子揺らぎの証拠」

LiteBIRD（日本が主導）

POLARBEAR

CMB偏光揺らぎ精密測定による原始重力波の検出ビッグバン以前に放出された信号の検出

インフレーション宇宙の直接検証

測定精度

1mK

WMAP, PLANCK : 解像度の向上宇宙年齢、ダークエネルギー


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