Probing the absolute neutrino mass scale with a large TES bolometer array for CMB polarization measurement

• Project/Area Number: 20H01921
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 長谷川 雅也 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 研究機関講師 (60435617)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2021: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2020: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
• Keywords: 宇宙背景放射 / ニュートリノ / 偏光 / 超伝導検出器

Outline of Research at the Start

本研究の目的は、従来に無い高感度な宇宙マイクロ波背景放射の観測を実現し、いまだ未解明なニュートリノ質量の絶対スケールに迫ることである。その為に1)世界最大規模の超伝導ミリ波検出器アレイ"POLARBEAR-2"を有する偏光観測装置群「Simons Array」実験において全望遠鏡を立ち上げ科学観測を開始し、2) 本研究計画独自のアイディアを盛り込んだ検出装置の較正を実行して系統誤差を抑え、3) 重力レンズBモードの精密測定を実現して、有限なニュートリノ質量和の探索を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、従来に無い高感度な宇宙マイクロ波背景放射の観測を実現し、いまだ未解明なニュートリノ質量の絶対スケールに迫る事を目標としている。そのために、世界最大規模の超伝導ミリ波検出器アレイ"POLARBEAR-2"を有する偏光観測装置群「Simons Array」実験において３台の望遠鏡を立ち上げ科学観測を開始する事を目指している。
今年度は、まず１台目のコミッショニング観測を継続した。昨年度末に共同研究者によって再稼働を開始したばかりであるため、まずは観測サイトの閉鎖前後にて基本的なビーム等の光学特性に顕著な変化が無い事を確認し、その上で再稼働作業中に改良を施した超伝導検出器の信号読み出し箇所の性能が期待通り向上している事を確認した。その上で、人工較正光源を用いて基準信号を入射し、偏光特性（角度）の精密較正を行い要求を満たす精度での較正を実現した。低周波ノイズを低減するための半波長板の導入が完了し次第科学観測を開始するところまで準備が完了した。
２台目望遠鏡については、観測サイトでの立ち上げに向けて実験室にて光学素子の準備を進めた。世界でもほぼ初となる50cmレベルの低温用大型広帯域半波長板や赤外線フィルターを施工して、実験室での基礎特性の評価を経て観測サイトに輸送を完了した。ただし観測装置を望遠鏡に設置する際にメカニカルな部分に不具合が生じ、コミッショニング開始時期は次年度に延期となった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

研究実績で述べたとおり、COVID-19で観測サイトに行けない状況の中でも現地の共同研究者と協力しながら１台目望遠鏡のコミッショニング観測を継続し、観測サイトに行けない代わりに（当初は予定していなかった）２台目望遠鏡の光学素子の開発・施工を行って望遠鏡搭載への準備に大きな貢献をするなど、着実にプロジェクトを前に進めているが、今年度までに２台体制を整える所まで実現しなかった事に基づき、やや遅れている、とした。ただし並行して解析コードの準備を行うなどデータ取得後に行う予定の研究を先取りして進めているため、全体としての遅延は最小限に抑えられる見通してである。

Strategy for Future Research Activity

今後はSimons Array１台目の科学観測の早期開始と２台目の立ち上げを早々に行う。並行してニュートリノ質量和探索のための小角度スケールにおける偏光測定感度が最大となる様に、観測領域や機器較正も含めた適切な観測スケジュールの確立を目指す。

Research Products

• [Int'l Joint Research] カリフォルニア大学バークレー校/カリフォルニア大学サンディエゴ校/ローレンス・バークレー国立研究所(米国)
• [Int'l Joint Research] マギル大学/ダルハウジー大学(カナダ)
• [Int'l Joint Research] マンチェスター大学/インペリアルカレッジロンドン/ケンブリッジ大学(英国)
• [Int'l Joint Research] オルセー大学/サクレー大学/パリ大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] SISSA(イタリア)
• [Int'l Joint Research]
• [Int'l Joint Research] カリフォルニア大学バークレー校/カリフォルニア大学サンディエゴ校/ローレンス・バークレー国立研究所(米国)
• [Int'l Joint Research] マギル大学/ダルハウジー大学(カナダ)
• [Int'l Joint Research] マンチェスター大学/インペリアルカレッジロンドン/ケンブリッジ大学(英国)
• [Int'l Joint Research] オルセー大学/サクレー大学/パリ大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] SISSA(イタリア)
• [Journal Article] Method for rapid performance validation of large TES bolometer array for POLARBEAR-2A using a coherent millimeter-wave source (2021)
  • Author(s): Segawa Yuuko et al.
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: － Pages: 00-00
  • DOI: 10.1063/5.0038197
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Data acquisition and management system for the CMB polarization experiment: Simons Array (2020)
  • Author(s): Nishino Haruki et al.
  • Journal Title: SPIE Volume: － Pages: 1145329-1145329
  • DOI: 10.1117/12.2560616
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Measurement of the CMB E-mode Angular Power Spectrum at Subdegree Scales from 670 Square Degrees of POLARBEAR Data (2020)
  • Author(s): Adachi S. et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 904 Issue: 1 Pages: 65-65
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abbacd
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Simons Array実験2021年の準備状況 (2021)
  • Author(s): 金子大輔 他POLARBEARコラボレーション
  • Organizer: 物理学会
• [Presentation] POLARBEAR実験によるCMB円偏光探索に向けた半波長板の評価3 (2021)
  • Author(s): 藤野琢郎 他POLARBEARコラボレーション
  • Organizer: 物理学会
• [Presentation] Simons Array実験 観測サイトにおけるコミッショニング (2021)
  • Author(s): 金子大輔 他POLARBEARコラボレーション
  • Organizer: 物理学会
• [Presentation] Simons Array実験における人工較正光源を用いた検出器感度最適化の手法の開発 (2021)
  • Author(s): 高取沙悠理 他POLARBEARコラボレーション
  • Organizer: 物理学会
• [Presentation] POLARBEAR-2/Simons Array実験 -観測機器コミッショニング状況 - (2020)
  • Author(s): 長谷川雅也
  • Organizer: 天文学会
• [Presentation] POLARBEAR-2/Simons Array実験 -観測サイトでの観測機器準備状況 - (2020)
  • Author(s): 長谷川雅也
  • Organizer: 天文学会
• [Presentation] Simons Array実験の現状報告 (2020)
  • Author(s): 西野玄記
  • Organizer: 物理学会
• [Presentation] POLARBEAR-2aにおける較正光源を利用した検出器の監視と評価 (2020)
  • Author(s): 金子大輔
  • Organizer: 天文学会
• [Presentation] Simons Array実験の進捗報告 (2020)
  • Author(s): 西野玄記
  • Organizer: 物理学会
• [Presentation] Data acquisition and management system for the CMB polarization experiment: Simons Array (2020)
  • Author(s): Haruki Nishino
  • Organizer: SPIE (国際学会)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] KEK-CMBグループ
• [Remarks] POLARBEARグループweb
  • URL: http://bolo.berkeley.edu/polarbear/
• [Remarks] Masaya Hasegawa's Homepage
  • URL: https://research-up.kek.jp/people/masayan/index.html
• [Remarks] 量子場計測システム国際拠点
  • URL: https://www2.kek.jp/qup/
• [Remarks] KEK-CMBグループ