2021 Fiscal Year Annual Research Report
CMBと前景放射の分離で探る原始重力波-超伝導センサーMKIDを用いた多帯域観測
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21J20290
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
末野 慶徳 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 宇宙背景放射 / GroundBIRD / MKID / 超伝導検出器 / 較正研究 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目標はCMB偏光観測実験GroundBIRDを用いたCMBの高精度観測、及びQUIJOTE実験との共同データ解析による多帯域観測によって前景放射を除去し、原始重力波の探索を行うことである。
本年度GroundBIRDではオランダの研究機関と共同でCMB帯域(145GHZ)に感度のあるMKIDの開発を行った。製作されたMKIDの望遠鏡へのインストール、及び性能評価を現地で行った。MKIDが期待された性能が出ていることを確認するとともに、実際に現地に赴き望遠鏡でのコミッショニングに携わることで望遠鏡への理解が深まった。また、複数回とった月の観測データから望遠鏡の視線方向の較正を行い、過去のCMB観測実験と同等の精度で視線方向を較正できることを示した。現在、月のデータを用いて検出器の応答性の評価も進めている。
100GHz帯域に感度を持つMKIDを開発については、京都大学にある「ナノテクノロジーハブ拠点」を利用してMKIDの製作環境を整えた。本施設ではMKIDの製作実績はなかったが、一から製作プロセスを考えMKIDの製作に成功した。この開発と既に構築済みのMKIDの評価系と合わせて、100GHz帯域のMKIDの開発のサイクルを京都大学で完結させることが可能になった。
また、MKIDの製作において一般的な材質であるニオブを用いてMKID固有のノイズを低減する研究も行い、その研究結果を論文発表した。このノイズはCMBなどの長時間観測において顕著に現れるノイズであり、NbTiNなど製作が難しい材質を用いることで低減されてきていた。本研究では、より一般的な材質であるニオブでMKIDのデザインを調整することでTLSノイズを低減できることを示した。これはナノハブ拠点でも製作可能な材質であり、100GHz帯域のMKIDの開発にも応用できる点でも有用である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度はオランダの研究機関とともにCMB帯域(145GHz)に感度のある試験用のMKIDの開発を行った。実際に現地に赴き、MKIDのGroundBIRD望遠鏡へのインストール、およびコミッショニング観測を主導した。望遠鏡への理解も深めることができた。そして、実際の観測を通して、検出器を含めた望遠鏡全体の性能が期待されたものであることが確認することができた。また、複数回とった月の観測データから望遠鏡の視線方向の較正を行った。その較正精度は過去のCMB観測実験と同等以上のものであり、GroundBIRDでの視線方向を較正手法を確立した。
100GHz帯域に感度を持つ検出器の開発に関しては、迅速に開発を進めるために京都大学にある「ナノハブテクノロジーハブ拠点」において、一からMKIDの製作環境を整えた。この開発と既に構築済みのMKIDの評価系と合わせて、100GHz帯域のMKIDの開発のサイクルを京都大学で完結させることが可能になった。
MKIDのノイズ低減のためには二種類の材質を用いたハイブリッド化が必須である。その中でもノイズ低減の役割を果たす一般的な材質であるニオブを用いたMKIDで、その構造を工夫することでMKID固有のTLSノイズを低減できることを実証し、論文として成果をまとめた。
以上の成果より進展としては概ね順調と言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度、100GHz帯域の光を観測できるMKIDの製作のために、京都大学でMKIDの製作環境・手法を確立した。本年度は100GHzに感度のあるマンガンを微量混ぜたアルミニウムを用いてMKIDの製作を行い、その性能を評価する。また、ノイズ低減に必須となる二種類の材質を用いたハイブリット化を見据えて、ニオブのMKIDの製作手法の確立も目指す。
GroundBIRD実験については物理観測用のMKID全7ウエハのインストールを予定しており、自身が主導してこれを確実に進める。インストール直後の初期評価を迅速に行い、速やかに物理観測を開始させる。
解析においては、引き続き月の観測データを用いて検出器の応答性を評価する手法を確立する。そして、望遠鏡の仰角を変化させて応答性を評価する”Skydip”を導入して、応答性をより正確に評価できるようにする。そして、高速回転観測で大気放射の揺らぎを削減するGroundBIRDのコンセプトを観測データから実証することを目指す。
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