CMB観測における前景放射の軽減によるインフレーションの発見感度の向上

• Project/Area Number: 20K14497
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 南 雄人 大阪大学, 核物理研究センター, 特任助教(常勤) (80788240)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2023: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: 宇宙マイクロ波背景放射 / CMB / 前景放射 / ダスト放射 / 宇宙複屈折 / インフレーション / 偏光角度較正

Outline of Research at the Start

宇宙の始まりを説明する理論としてインフレーション仮説が期待されている。宇宙マイクロ波背景放射（CMB）は138億年前の古い宇宙から飛んでくる光であり、その偏光方向の情報を用いることでインフレーション仮説を検証できる。しかし、CMBよりも新しい時代に存在する天体などが発する前景放射という光が、角度較正を通して偽の信号を生み出してしまう。本研究の目的は、前景放射による偽の信号の影響を軽減し、インフレーションの発見感度を高めることである。

Outline of Annual Research Achievements

令和４年度は、前景放射とCMBの光の分離に取り組んだ。前景放射を取り除いたCMBデータを作成できれば、前景放射に邪魔をされない新たな偏光角度の較正手法として利用できるためである。Ichiki et al. (2019)で報告されている”delta-map”法は有力な方法であったが、周波数帯の数が前景放射の推定パラメータ数によって制限されるという問題があった。わたしは、ベイズ統計の手法を利用することで、この制限を取り外し"extended delta-map"法を完成させた。これをシミュレーションによって検証することで前景放射を取り除くことができ、CMBのインフレーション理論のパラメータを精度よく推定できることを示し、論文として出版した。今後、この手法をこれまで開発してきた角度較正手法と組み合わせれば、より高精度な偏光角度の較正とインフレーション理論の検証の精度向上が期待できる。
その他の実績は、Snowmassの白書論文1本、光を発した時点でのCMBのEB相関の新たな知見についての論文が1本、CMBのEB相関測定への前景放射の影響についての論文が1本、角度較正とCMBのEB相関の測定について国際会議での招待講演が1回、extended delta-map法について国際会議発表１回と国内会議発表1回がある。

研究期間全体を通して、前景放射がある場合でも検出器の角度較正ができる新手法の開発ができた。コロナ禍の影響で当初の目的ではない別の望遠鏡の測定データにこの手法を適用したが、CMBの光に未知の物理事象の兆候を観測し、大きな科学的成果を得ることができた。また、前景放射モデルを取り入れた偏光角度の較正の開発や前景放射を取り除く手法を開発することで、前景放射の軽減による偏光角度の較正ができ、インフレーションの発見感度向上につなげることができた。

Research Products

• [Int'l Joint Research] The Institute of Physics of Cantabria/カンタブリア大学(スペイン)
• [Int'l Joint Research] IJCLab, Orsay/IRAP, Toulouse(フランス)
• [Int'l Joint Research] Institute of Theoretical Astrophysics(ノルウェー)
• [Int'l Joint Research] ブリティッシュコロンビア大学(カナダ)
• [Int'l Joint Research] マックスプランク天体物理学研究所(ドイツ)
• [Int'l Joint Research]
• [Int'l Joint Research] マックスプランク天体物理学研究所(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] カンタブリア大学/The Institute of Physics of Cantabria(スペイン)
• [Int'l Joint Research] Institute of Theoretical Astrophysics(ノルウェー)
• [Int'l Joint Research] IJCLab, Orsay/IRAP, Toulouse/トゥールーズ大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] ブリティッシュコロンビア大学(カナダ)
• [Int'l Joint Research]
• [Int'l Joint Research] マックス・プランク天体物理学研究所(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] U.C バークレー/U.C サンディエゴ/LBNL(米国)
• [Journal Article] Extended delta-map: A map-based foreground removal method for CMB polarization observations (2023)
  • Author(s): Minami Yuto、Ichiki Kiyotomo
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: 2023 Issue: 3 Pages: 3-3
  • DOI: 10.1093/ptep/ptad016
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Robustness of cosmic birefringence measurement against Galactic foreground emission and instrumental systematics (2023)
  • Author(s): Diego-Palazuelos P.、Mart?nez-Gonz?lez E.、Vielva P.、Barreiro R.B.、Tristram M.、de la Hoz E.、Eskilt J.R.、Minami Y.、Sullivan R.M.、Banday A.J.、G?rski K.M.、Keskitalo R.、Komatsu E.、Scott D.
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2023 Issue: 01 Pages: 044-044
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2023/01/044
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cosmic Birefringence―Is Our Universe Parity Symmetric? (2022)
  • Author(s): 藤田 智弘、南 雄人
  • Journal Title: Butsuri Volume: 77 Issue: 9 Pages: 611-615
  • DOI: 10.11316/butsuri.77.9_611
  • ISSN: 0029-0181, 2423-8872
  • Year and Date: 2022-09-05
• [Journal Article] Cosmology intertwined: A review of the particle physics, astrophysics, and cosmology associated with the cosmological tensions and anomalies (2022)
  • Author(s): Abdalla Elcio、et al.
  • Journal Title: Journal of High Energy Astrophysics Volume: 34 Pages: 49-211
  • DOI: 10.1016/j.jheap.2022.04.002
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Can primordial parity violation explain the observed cosmic birefringence? (2022)
  • Author(s): Fujita Tomohiro、Minami Yuto、Shiraishi Maresuke、Yokoyama Shuichiro
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 106 Issue: 10 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1103/physrevd.106.103529
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cosmic Birefringence from the <i>Planck</i> Data Release 4 (2022)
  • Author(s): Diego-Palazuelos P.、Eskilt J.?R.、Minami Y.、Tristram M.、Sullivan R.?M.、Banday A.?J.、Barreiro R.?B.、Eriksen H.?K.、G?rski K.?M.、Keskitalo R.、Komatsu E.、Mart?nez-Gonz?lez E.、Scott D.、Vielva P.、Wehus I.?K.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 128 Issue: 9 Pages: 091302-091302
  • DOI: 10.1103/physrevlett.128.091302
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] In-flight polarization angle calibration for LiteBIRD: blind challenge and cosmological implications (2022)
  • Author(s): LiteBIRD Collaboration: Krachmalnicoff N.、Matsumura T.、de la Hoz E.、...、Shiraishi M. et al.
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2022 Issue: 01 Pages: 039-039
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2022/01/039
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [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] Probing axionlike particles via cosmic microwave background polarization (2021)
  • Author(s): Fujita Tomohiro、Minami Yuto、Murai Kai、Nakatsuka Hiromasa
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 103 Issue: 6 Pages: 00-00
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.063508
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] New Extraction of the Cosmic Birefringence from the Planck 2018 Polarization Data (2020)
  • Author(s): Minami Yuto、Komatsu Eiichiro
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 125 Issue: 22 Pages: 00-00
  • DOI: 10.1103/physrevlett.125.221301
  • Peer Reviewed / 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
• [Journal Article] Results of gravitational lensing and primordial gravitational waves from the POLARBEAR experiment (2020)
  • Author(s): Y. Chinone, M. Hazumi（38番目）et al. （他91名、総著者93名）
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1468 Issue: 1 Pages: 012007-012007
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1468/1/012007
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Simultaneous determination of the cosmic birefringence and miscalibrated polarization angles II: Including cross-frequency spectra (2020)
  • Author(s): Minami Yuto、Komatsu Eiichiro
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: 2020 Issue: 10 Pages: 00-00
  • DOI: 10.1093/ptep/ptaa130
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Extended Delta-map: a map-based foreground removal method for CMB polarization observations (2023)
  • Author(s): 南 雄人
  • Organizer: 日本天文学会2023年春季年会
• [Presentation] New measurements of the cosmic birefringence (2022)
  • Author(s): Yuto Minami
  • Organizer: Cambridge High Energy Workshop 2022- Phase Transitions and Topological Defects in the Early Universe
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Extended Delta-map: a map-based foreground removal method for CMB polarization observations (2022)
  • Author(s): Yuto Minami
  • Organizer: Galactic science and CMB foregrounds
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A new measurement of the cosmic birefringence (2021)
  • Author(s): Yuto Minami
  • Organizer: KASIWA DARK MATTER SYMPOSIUM 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Search for parity-violating physics in the polarisation of the cosmic microwave background, so called “Cosmic Birefringence” (2020)
  • Author(s): Yuto Minami
  • Organizer: HEP/Astro Results Forum
  • Invited
• [Remarks] 宇宙マイクロ波背景放射の偏光に「パリティ対称性」を破る新しい物理の兆候を観測
  • URL: https://www.kek.jp/ja/press/pr20201124/
• [Remarks] 宇宙マイクロ波背景放射の偏光に「パリティ対称性」を破る新しい物理の兆候を観測
  • URL: https://www.ipmu.jp/ja/20201124-CosmicBirefringence
• [Remarks] A hint of new physics in polarized radiation
  • URL: https://www.mpa-garching.mpg.de/896049/news20201123