初期宇宙観測に特化した多色同時検出器で拓くインフレーション期の宇宙

• Project/Area Number: 20K14502
• 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: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 長崎 岳人 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, 研究員 (00752346)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2022: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2021: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2020: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: インフレーション / CMB / ミリ波検出器 / 宇宙マイクロ波背景放射 / 電波 / MKID

Outline of Research at the Start

本研究は宇宙マイクロ波背景放射の高精度な偏光強度の観測を行い、ビックバン宇宙論の問題点を解決するために提唱されたインフレーション仮説の実験的検証を目指す。検出には非常に高感度な検出器が必要であるため、MKIDを用いた電波カメラを開発し、グランドバード実験に搭載して観測する。新たに開発する電波カメラは、現状のカメラから素子数を増やすなどの改善を行う。また、新たに220GHzの銀河ダストの観測を目指し、これにより銀河からの放射などの全景放射の除去を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、インフレーション仮説の検証とニュートリノ質量の解明という宇宙物理と素粒子物理の２つ謎に挑ことを目的とし、地上設置型の望遠鏡を用いて高精度な宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の観測を行う。具体的には、集積度を大幅に改善したMKID 検出器を開発し、現在カナリア諸島にて運用を行なっているGroundBIRD 実験に搭載してCMB観測を行うことで宇宙初期の姿に迫ることである。
研究の目玉である新しい検出器として、フィルターバンク型直線両偏波観測用MKID カメラを開発し、この際に最大の課題である集積度を改善する。開発項目として、周波数帯域をCMB観測用（145GHz 帯）と星間ダスト（220GHz）帯の2 帯域を同時に観測可能な検出機を実現し、B-mode 検出のための大きな障壁となる銀河等の全景放射を取り除く。
2021年度は、研究計画に基づき引き続き昨年度行ったCMBを観測するための145GHz帯と220GHz帯を受信するための平面アンテナの設計を行い、さらなる最適化を測った。HFSS電磁界シミュレータにて、平面アンテナとレンズによる光学特性を計算し、各バンドでの効率を改善した。また他の研究項目として、フィルターバンクの設計改良も引き続き行った。
また、素子を開発後には検出器を冷却して運用する必要があることから、20mKまで冷却可能な冷凍機を整備し、冷却テストの準備を進めている。整備は順調に進んでおり、いつでも素子の冷却ならびに評価試験を実施できる状況を実現している。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

昨年度に引き続き、光を受信するアンテナ系の設計と受信した周波数を二つに分けるフィルターの設計開発行い、さらなる改善を目指したが当初の想定より時間を要している。また実際の素子作成を行うための準備にも時間を要しており、具体的には素子作成用のフォトマスクの作図やエッチング等の作成条件の選定である。また読み出し系や試験環境の開発も、引き続き今年度も実施したことが要因である。

Strategy for Future Research Activity

引き続き素子の設計開発を行う。具体的にはアンテナの設計開発とフィルターバンクの設計開発である。その実施の後、クリーンルームでの素子開発に取り掛かる予定である。また評価試験環境についても、引き続き実施していく予定である。今年度素子開発後は、昨年度整備した素子評価環境において試験評価を行い、実際に望遠鏡に搭載して使用可能か評価を行う予定である。