Search for primordial gravitational wave by CMB telescopes, Simons Observatory

• Project/Area Number: 22KJ1643
• Project/Area Number (Other): 21J00465 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 清野 結大 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(CPD)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2025: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2024: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2023: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: CMB / Stimulator / ニュートリノ / 宇宙背景放射 / インフレーション / 原始重力波 / 超伝導検出器 / TES

Outline of Research at the Start

宇宙マイクロ波背景放射(CMB)の観測により、宇宙創世記の物理を探索する。特に宇宙初期における時空の加速度的膨張「インフレーション」によって引き起こされる、原始重力波の発見を目指す。原始重力波は、CMBの偏光分布に空間非対称なパターンを刻印する。その強度はインフレーションモデルの多くでr(テンソルスカラー比)~0.01と予言される 。
私はSimons Observatory実験に参画し、４台の望遠鏡でCMBのB-mode観測を行う。望遠鏡の超伝導検出器や較正装置の開発、観測サイトにおけるコミッショニングを主導し、世界最高感度(r=0.003)の原始重力波探索を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では宇宙マイクロ波背景放射(CMB)の精密測定による、原始重力波やニュートリノ質量和の観測に挑む。史上最大の望遠鏡群によるCMB実験Simons Observatoryに参加し、これら物理を網羅する測定を行う。観測で重要となるのは、超伝導光検出器とその較正装置の開発である。計十万チャンネルにも及ぶ超伝導検出器を100mKの極低温で動作させ、さらに環境ノイズで敏感に変化する応答性を、随時較正することが精密測定の肝となる。
これまで開発してきた検出器の応答性の較正装置stimulatorは本年度完成し、実験サイトへの導入を待つばかりとなった。昨年度までに各パーツの作成とエレクトロニクスの製作を完了しており、本年度はその組立、リモートコントロールのソフトウェア開発、高温のヒーター(マイクロ波の光源)や高速回転するチョッパー等のすべての動作試験を達成した。さらに系統誤差に影響する、断熱性能の大幅な改善も行った。望遠鏡ミラーにstimulatorを組み付けるテストも行い、期待通り問題ないことを確認した。現在製造中の望遠鏡ミラーの完成後に、ともに実験サイトへ搬入・導入される予定である。
検出器作成は原因不明だった複数の不具合の究明や、その修正手法の確立によって迅速化され、Simons Observatory実験の中周波・高周波検出器全39個の作成を完了した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

較正装置Stimulatorの開発・作成を予定通り達成した。加えてマイクロ波の光源である高温のヒーターの断熱を改良し、温度安定性すなわち較正光源の安定性を大幅に改善した（100℃->1℃）。stimulatorを搭載する望遠鏡ミラーとの組付け確認も完了し、まさに実験サイトへの導入を待つばかりとなった。
検出器作成において重要となるのは、Si基板内の配線・1万以上にも及ぶwire bonding・グラウンド間のショートの理解及び除去である。これらは目に見えないことが多い上、一箇所の不具合で半数以上の検出器チャンネルを使えなくしてしまう。本年度は、これまで原因不明でチャンネル数の収率を下げていたショートの原因を複数特定し、ショートを大まかに6種に分類できるようになった。また簡単な測定でその分類や位置を特定できる手法を開発し、修正を施せるようになった。これにより検出器作成が迅速化し、Simons Observatory実験の中周波・高周波検出器全39個の作成を完了した。

Strategy for Future Research Activity

較正装置stimulatorを搭載する大口径望遠鏡のミラーは、2024年度に製造完了予定である。完了後、ミラーとともにstimulatorを実験サイトへ導入する。また実験サイトでのコミッショニングも主導し、大口径望遠鏡でのCMB観測を開始する。
検出器は現在、ノイズ耐性を強化したものを作成中である。すでにSimons Observatoryの小口径望遠鏡で使われている検出器との交換を計画しており、これも2024年度に実施予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Princeton University/Pennsylvania University/NIST(米国)
• [Int'l Joint Research] Princeton University/Pennsylvania University/Chicago University(米国)
• [Int'l Joint Research] ペンシルベニア大学/シカゴ大学/プリンストン大学(米国)
• [Journal Article] The Simons Observatory: Large-Scale Characterization of 90/150 GHz TES Detector Modules (2024)
  • Author(s): Daniel Dutcher, Shannon M. Duff, John C. Groh, Erin Healy, Johannes Hubmayr, Bradley R. Johnson, Dante Jones, Ben Keller, Lawrence T. Lin, Michael J. Link, Tammy J. Lucas, Samuel Morgan, Yudai Seino, Rita F. Sonka, Suzanne T. Staggs, Yuhan Wang, Kaiwen Zheng
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics Volume: 214 Issue: 3-4 Pages: 247-255
  • DOI: 10.1007/s10909-023-03045-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 超伝導検出器TESの応答性と時定数較正のための高速変調放射装置stimulator (2023)
  • Author(s): 清野結大、他Simons observatory collaboration
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] Development of fast modulated radiator for responsivity and time constant calibration (2023)
  • Author(s): Yudai Seino, Simons observatory collaboration
  • Organizer: Low Temperature Detectors 20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simons Observatory実験に搭載する黒体光源を用いた較正装置の開発 (2022)
  • Author(s): 清野結大
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] Simons Array 実験におけるスパースワイヤーグリッドを用いた角度較正－較正原理 (2021)
  • Author(s): 安達俊介, 清野結大, 田島治, 他POLARBEARコラボレーション
  • Organizer: 日本物理学会 第76回秋季大会
• [Presentation] Simons Array 実験におけるスパースワイヤーグリッドを用いた角度較正－較正結果と精密測定に向けて (2021)
  • Author(s): 清野結大, 安達俊介, 田島治, 他POLARBEARコラボレーション
  • Organizer: 日本物理学会 第76回秋季大会
• [Presentation] Simons Observatory実験における黒体放射を用いた検出器の較正光源開発 (2021)
  • Author(s): 清野結大, 鈴木淳也, 金子大輔, 長谷川雅也, 田島治, Simons Observatory collaboration
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会