インフレーション宇宙探索のための低温広帯域偏光変調器の開発

• 研究課題/領域番号: 15H05441
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 天文学
• 研究機関: 東京大学 (2016-2017); 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構 (2015)
• 研究代表者: 松村 知岳 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任准教授 (70625003)
• 研究協力者: 片山 伸彦 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 教授 (50290854) ; 櫻井 雄基 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任研究員 (50780847) ; 大崎 博之 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (10203754)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 23,790千円 (直接経費: 18,300千円、間接経費: 5,490千円); 2017年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2016年度: 16,380千円 (直接経費: 12,600千円、間接経費: 3,780千円); 2015年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
• キーワード: インフレーション / 宇宙マイクロ波背景放射 / 偏光観測 / 応用超電導 / 超電導磁気軸受 / レーザー加工 / インフレーション仮説の検証 / 宇宙マイクロ波背景放射偏光観測 / 偏光変調器 / 広帯域反射防止機構 / 低温駆動機構 / 超電導軸受 / 半波長板 / 電波天文学 / 宇宙物理 / 偏光変調機 / 超伝導軸受け

研究成果の概要

インフレーション仮説は宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の偏光観測にて検証が可能である。偏光詳細観測にて鍵となる偏光変調器の開発を行なった。この仮説検証に求められる感度はナノケルビン程度の微弱な揺らぎであり、偏光変調器を導入することで装置由来の擬似偏光信号と縮退を解く。広帯域かつ低温にて半波長板を連続回転させるという挑戦的な開発項目がある中で、サファイア半波長板へのモスアイ加工により1:8の広帯域反射防止の実証、また超電導磁気軸受を用いた連続回転機構の開発を行なった。CMB偏光観測で求められる偏光編長期の光学、熱、機械的特性の要素技術評価を行い、インフレーション探索の装置として実現性を示した。

研究成果

• [国際共同研究] University of Minnesota, Twin Cities/UC Berkeley/Lawrence National Berkeley Lab(米国)
• [国際共同研究] Universite Paris Diderot(フランス)
• [国際共同研究] Cardiff University(英国)
• [国際共同研究] Laser Zentrum Hannover(ドイツ)
• [国際共同研究] University of Minnesota, Twin Cities/UC Berkeley/Lawrence National Berkeley Lab(米国)
• [国際共同研究] Cardiff University(英国)
• [国際共同研究] Laser Zentrum Hannover(ドイツ)
• [国際共同研究] University of Minnesota, Twin Cities(米国)
• [国際共同研究] Laser Zentrum Hannover(Germany)
• [雑誌論文] Estimation of the Heat Dissipation and the Rotor Temperature of Superconducting Magnetic Bearing Below 10 K (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakurai, T. Matsumura, H. Kataza, S. Utsunomiya, and R. Yamamoto
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 27 号: 4 ページ: 012011-012011
  • DOI: 10.1109/tasc.2017.2672688
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Numerical analysis of fundamental characteristics of superconducting magnetic bearings for a polarization modulator (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Terachi, Y. Terao, H. Ohsaki, Y. Sakurai, T. Matsumura, H. Sugai, S. Utsunomiya, H. Kataza, and R. Yamamoto.
  • 雑誌名: Journal of Physics Conference Series 巻: 871 ページ: 012094-012094
  • DOI: 10.1088/1742-6596/871/1/012094
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Vibrational characteristics of a superconducting magnetic bearing employed for a prototype polarization modulator (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakurai, T. Matsumura, H. Sugai, N. Katayama, H. Ohsaki, Y. Terao, Y. Terachi, H. Kataza, S. Utsunomiya, and R. Yamamoto
  • 雑誌名: Journal of Physics Conference Series 巻: 871 ページ: 012091-012091
  • DOI: 10.1088/1742-6596/871/1/012091
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Bandpass mismatch error for satellite CMB experiments I: estimating the spurious signal (2017)
  • 著者名/発表者名: Hoang Duc Thuong、Patanchon Guillaume、Bucher Martin、Matsumura Tomotake、Banerji Ranajoy、Ishino Hirokazu、Hazumi Masashi、Delabrouille Jacques
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2017 号: 12 ページ: 015-015
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2017/12/015
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetically coupled gear based drive mechanism for contactless continuous rotation using superconducting magnetic bearing below 10?K (2016)
  • 著者名/発表者名: Matsumura T.、Sakurai Y.、Kataza H.、Utsunomiya S.、Yamamoto R.
  • 雑誌名: Physica C: Superconductivity and its Applications 巻: 530 ページ: 138-141
  • DOI: 10.1016/j.physc.2016.07.003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Millimeter-Wave Broadband Anti-Reflection Coatings Using Laser Ablation of Sub-Wavelength Structures (2016)
  • 著者名/発表者名: TOMOTAKE MATSUMURA, KARL YOUNG, QI WEN, SHAUL HANANY, HIROKAZU ISHINO, YUKI INOUE, MASASHI HAZUMI, JÜRGEN KOCH, OLIVER STUNTMAN, VIKTOR SCHÜTZ
  • 雑誌名: Applied Optics 巻: 55 号: 13 ページ: 3502-3509
  • DOI: 10.1364/ao.55.003502
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Design and performance of a prototype polarization modulator rotational system for use in space using a superconducting magnetic bearing (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomotake Matsumura, Hirokazu Kataza, Shin Utsunomiya, Ryo Yamamoto, Masashi Hazumi, Nobuhiko Katayama
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 印刷中 ページ: 1-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Laser Processing of Sub-Wavelength Structures on Sapphire and Alumina for Millimeter Wavelength Broadband Anti- Reflection Coatings (2016)
  • 著者名/発表者名: V. Schultz, K. Young, T. Matsumura, S. Hanany, J. Koch, O. Suttmann, O., Ludger, Q. Wen
  • 雑誌名: Journal of Laser Micro/Nanoengineerin 巻: 印刷中
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] LiteBIRD: Mission Overview and Focal Plane Layout (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Matsumura , Y. Akiba, K. Arnold, J. Borrill, R. Chendra, Y. Chinone, A. Cukierman, T. de Haan, M. Dobbs, A. Dominjon, T. Elleflot, J. Errard, T. Fujino, H. Fuke, N. Goeckner-wald, N. Halverson, P. Harvey, M. Hasegawa, et al.
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 185 号: 3-4 ページ: 1-8
  • DOI: 10.1007/s10909-016-1542-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] 宇宙マイクロ波背景放射偏光観測実験のための偏光変調器用超電導軸受の発熱特性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 桜井雄基，松村知岳，飯田光人，片山伸彦，菅井肇，大崎博之，寺尾悠，寺地祐介， 下村俊貴)，今田大皓，山本亮，宇都宮真， 片坐宏一
  • 学会等名: 第29回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム
• [学会発表] CMB 偏光観測衛星に用いる超電導磁気軸受の電磁的特性解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 下村俊貴，寺地祐介，寺尾悠，大崎博之，桜井雄基，松村知岳，片山伸彦，菅井肇，今田大皓，山本亮，宇都宮真，片坐宏一
  • 学会等名: 第29回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム
• [学会発表] インフレーション探索を目的とした宇宙マイクロ波背景放射偏光観測のための超電導磁気軸受開発の概要 (2017)
  • 著者名/発表者名: 松村知岳，桜井雄基，片山伸彦，菅井肇、下村俊貴，寺地祐介，寺尾悠，大崎博之、今田大皓，山本亮，宇都宮真，片坐宏一
  • 学会等名: 低温工学・超電導学会
• [学会発表] The LiteBIRD CMB polarization mission (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomotake Matsumura, Takuro Fugino, Masaya Hasegawa, Masashi Hazumi et al.
  • 学会等名: 13th Rencontres du Vietnam, Cosmology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of a half-wave plate based polarization modulator unit for LiteBIRD (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomotake Matsumura et al.
  • 学会等名: Low temperature detector 17th
  • 国際学会
• [学会発表] インフレーション仮説の検証を目的としたLiteBIRDの偏光変調器の開発概要 (2017)
  • 著者名/発表者名: 松村知岳, 桜井雄基, 片山伸彦, 菅井肇, 飯田輝人, 大崎博之, 寺尾悠, 下村俊貴, 小林洋平, 今田大皓, 山本亮, 宇都宮真, 片坐宏一, 羽澄昌史, 石野宏和, 小松国幹, 中村正吾, 高久諒太, 金井啓晃, 他 LiteBIRD Phase-A1 team
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] RCWAを用いたCMB偏光観測のためのモスアイ式広帯域反射防止の設計とその評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 高久諒太, 今田大皓, 松村知岳, 桜井雄基, 片山伸彦, 中村正吾, 金井啓晃
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] LiteBIRDで使用する光学部材の陽子線による影響(5) (2017)
  • 著者名/発表者名: 片岡雄一郎, 小松国幹, 石野宏和, 樹林敦子, 魚住聖, 山田要介, 喜田洋介, 秀平直人, 松村知岳, 片山伸彦, 羽澄昌史, 南雄人, 中村正吾, 山下徹, 藤野琢郎, 金井啓晃, 鈴木有春, Ben Westbrook, Oliver Jeong, Ian Shirley, Johannes Hubmayr, 他LiteBIRDPhase-A1 team
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] LiteBIRDの偏光変調器に用いる広帯域多層半波長板の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小松国幹, 松村知岳, 桜井雄基, 片山伸彦, 菅井肇, 今田大皓, 石野宏和, 羽澄昌史, 他 LiteBIRD Phase-A1 team
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] Thermal characteristics of a 400mm diameter levitating rotor in a superconducting magnetic bearing operating below at 10K for a CMB polarization experiment (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakurai, T. Matsumura, T. Iida, H. Kanai, N. Katayama, H. Imada, H. Ohsaki, Y. Terao, T. Shimomura, H. Sugai, H. Kataza, R. Yamamoto, S. Utsunomiya
  • 学会等名: 13th European Conference of Applied Superconductivity
  • 国際学会
• [学会発表] インフレーション探索を目的とした宇宙マイ クロ波背景放射偏光観測のための超電導軸受を用いた偏光変調器実証器の開発現状 (2017)
  • 著者名/発表者名: 松村知岳，桜井雄基，片山伸彦，菅井肇、下村俊貴，廣田幸真，寺尾悠，大崎博之、今田大皓，山本亮，宇都宮真，片坐宏一、金井啓晃、中村正吾、鈴木純一、牧宗慶、飯田輝人
  • 学会等名: 低温工学・超電導学会
• [学会発表] Broadband polarization modulation efficiency of the achromatic half-wave plate for LiteBIRD (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Komatsu et al.
  • 学会等名: 2nd B-mode from space
  • 国際学会
• [学会発表] Anti-reflection coating using moth eye structure (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Takaku et al.
  • 学会等名: 2nd B-mode from space
  • 国際学会
• [学会発表] Prototype polarization modulator development for LiteBIRD (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Kanai et al.
  • 学会等名: 2nd B-mode from space
  • 国際学会
• [学会発表] Current status and future prospect of studying the physics of early universe using the measurement of the cosmic microwave background polarization (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Matsumura
  • 学会等名: CosPA2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effect of Proton Irradiation to a Trapped Field Bulk YBCO for Use in Space (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Matsumura et al.
  • 学会等名: The 10th International Workshop on Processing and Applications of Superconducting (RE)BCO Large Grain Materials (PASREG 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Design of the prototype SMB system for the space-borne polarimeter (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakurai et al.
  • 学会等名: The 10th International Workshop on Processing and Applications of Superconducting (RE)BCO Large Grain Materials (PASREG 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical analysis of spring characteristics and rotational loss of superconducting magnetic bearings for a polarization modulator (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Shimomura et al.
  • 学会等名: The 10th International Workshop on Processing and Applications of Superconducting (RE)BCO Large Grain Materials (PASREG 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of the broadband anti-reflection coating on sapphire using a sub-wavelength structure for a CMB polarization experiment (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Matsumura, S. Hanany, H. Imada, H. Ishino, N. Katayama, Y. Kobayashi, K. Komatsu, K. Konishi, M. Kuwata-Gonokami, S. Nakamura, H. Sakurai, Y. Sakurai, R. Takaku , S. Utsunomiya, Q. Wen, K. Young, J. Yumoto
  • 学会等名: 29th IEEE International Symposium on Space Terahertz Technology (ISSTT2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Instrumentally induced spurious polarization of a multi-layer half wave plate for a CMB polarization observation (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Imada 1, T. Matsumura, R. Takaku, G. Patanchon, H. Ishino, Y. Sakurai, K. Komatsu, N. Katayama
  • 学会等名: 29th IEEE International Symposium on Space Terahertz Technology (ISSTT2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a cryogenic remote sensing thermometer for CMB polarization experiments (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakurai, T. Matsumura, N. Katayama, H. Kanai, T. Iida
  • 学会等名: 29th IEEE International Symposium on Space Terahertz Technology (ISSTT2018)
  • 国際学会
• [学会発表] LiteBIRD の偏光変調器に用いる広帯域多層半波長板の開発(2) (2017)
  • 著者名/発表者名: 小松国幹, 松村知岳, 桜井雄基, 片山伸彦, 菅井肇, 今田大皓, 石野宏和, 羽澄昌史, 他 LiteBIRD Phase-A1 team
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] LiteBIRD偏光変調器に用いるサファイアの低温熱物性測定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 渡邊尚貴, 川崎健夫, 松村知岳, 桜井雄基, 他LiteBIRD Phase-A1 team
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] LiteBIRDで使用する光学部材の陽子線による影響(6) (2017)
  • 著者名/発表者名: 片岡雄一郎, 小松国幹, 石野宏和, 樹林敦子, 魚住聖, 喜田洋介, 秀平直人, 松村知岳, 片山伸彦, 桜井雄基, 羽澄昌史
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 宇宙マイクロ波背景放射Bモード偏光観測衛星LiteBIRDの偏光変調器の開発概要 (2017)
  • 著者名/発表者名: 片山伸彦, 松村知岳, 桜井雄基, 菅井肇, 飯田輝人, 大崎博之, 寺尾悠, 下村俊貴, 今田大皓, 山本亮, 宇都宮真, 片坐宏一, 羽澄昌史, 石野宏和, 小松国幹, 中村正吾, 高久諒太, 金井啓晃, 他, LiteBIRD phase A1チーム
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 宇宙マイクロ波背景放射偏光観測を用いたインフレーション仮説の検証と超伝導軸 受けを用いた半波長板偏光変調器の開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 松村知岳
  • 学会等名: 第２８回電磁力関連のダイナミクスシンポジウムSEAD28（機械力学・計測制御部門企画）
  • 発表場所: 慶應義塾大学日吉キャンパス
  • 年月日: 2016-05-18
  • 招待講演
• [学会発表] インフレーション仮説探索のための半波長板を用いた連続回転偏光変調器の熱特性について (2016)
  • 著者名/発表者名: 松村知岳, 片坐宏一, 宇都宮真, 山本亮、桜井雄基
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] LiteBIRDにおける偏光変調器のための連続回転機構の開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 桜井雄基, 松村知岳, 片山伸彦, 菅井肇, 羽澄昌史, 山本亮, 宇都宮真, 片坐宏一, 他 LiteBIRD WG
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] LiteBIRDで使用する光学部材の陽子線による影響（3） (2016)
  • 著者名/発表者名: 小松国幹, 石野宏和, 樹林敦子, 魚住聖, 山田要介, 喜田洋介, 舟木巧, 秀平直人, 松村知岳, 羽澄昌史, 片山伸彦, 服部香里, 唐津謙一, 中村正吾, 入江郁也, 藤野琢郎, 山下徹, 堀泰斗, 鈴木有春, Ben Westbrook, Oliver Jeong, Ian Shirley, Johannes Hubmayr, 他 LiteBIRDワーキンググループ
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] CMB偏光観測のための広帯域半波長板の光学特性評価に関する現状について (2016)
  • 著者名/発表者名: 松村知岳, 石野宏和, 今田大皓, 羽澄昌史, 片山伸彦, 桜井雄基, 菅井肇
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] Polarization modulator for LiteBIRD (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomotake Matsumura, Takuro Fugino, Masaya Hasegawa, Masashi Hazumi et al.
  • 学会等名: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
  • 国際学会
• [学会発表] Thermal performance of a prototype polarization modulator using a superconducting magnetic bearing operating below 10 K (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuki Sakurai, Tomotake Matsumura, Hirokazu Kataza, Shin Utsunomiya, Ryo Yamamoto
  • 学会等名: Applied Superconductivity Conference
  • 国際学会
• [学会発表] LiteBIRDにおける偏光変調器のための連続回転機構の開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 桜井雄基, 松村知岳, 今田大皓, 菅井肇, 片山伸彦, 羽澄昌史, 山本亮, 宇都宮真, 片坐宏一, 他 LiteBIRD WG
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] LiteBIRDで使用する光学部材の陽子線による影響(4) (2016)
  • 著者名/発表者名: 小松国幹, 石野宏和, 樹林敦子, 魚住聖, 山田要介, 喜田洋介, 舟木巧, 秀平直人, 松村知岳, 片山伸彦, 服部香里, 羽澄昌史, 南雄人, 唐津謙一, 中村正吾, 入江郁也, 藤野琢郎, 山下徹, 金井啓晃, 堀泰斗, 鈴木有春, Ben Westbrook, Oliver Jeong, Ian Shirley, Johannes Hubmayr, 他LiteBIRDワーキンググループ
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] Numerical Analysis of Fundamental Characteristics of Superconducting Magnetic Bearings for a Polarization Modulator (2016)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Terachi, Hiroyuki Ohsaki, Yutaka Terao, Yuki Sakurai, Tomotake Matsumura, Hajime Sugai, Shin Utsunomiya, Hirokazu Kataza, Ryo Yamamoto
  • 学会等名: 29th International Symposium on Superconductivity - ISS2016
  • 国際学会
• [学会発表] Vibrational characteristics of a superconducting magnetic bearing employed for a prototype polarization modulator (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuki Sakurai, Tomotake Matsumura, Hajime Sugai, Nobuhiko Katayama, Hiroyuki Ohsaki, Yutaka Terao, Yusuke Terachi, Hirokazu Kataza, Shin Utsunomiya, Ryo Yamamoto
  • 学会等名: 29th International Symposium on Superconductivity - ISS2016
  • 国際学会
• [学会発表] Polarization modulator for LiteBIRD (2015)
  • 著者名/発表者名: Tomotake Matsumura
  • 学会等名: B-mode from Space
  • 発表場所: Kavli-IPMU, Japan
  • 年月日: 2015-12-10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Magnetic Gear Drive Mechanism for Non-Contact Continuous Rotation using the Superconducting Magnetic Bearing (2015)
  • 著者名/発表者名: Tomotake Matsumura, Shin Utsunomiya, Hirokazu Kataza, Ryo Yamamoto
  • 学会等名: 28th International Symposium on Superconductivity
  • 発表場所: TOWER HALL FUNABORI, Tokyo, Japan
  • 年月日: 2015-11-16
  • 国際学会
• [学会発表] 宇宙マイクロ波背景放射偏光観測衛星LiteBIRDに向けた半波長板偏光変調器開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 松村知岳, 石野宏和, 宇都宮真, 片山伸彦, 片坐宏一, 菅井肇, 関本裕太郎, 永田竜, 羽澄昌史, 舟木巧, 山本亮
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 大阪市立大学
  • 年月日: 2015-09-25
• [学会発表] Prototype design and performance of superconducting magnetic bearing system for a space compatible polarization modulator operating at 4 K (2015)
  • 著者名/発表者名: MATSUMURA Tomotake, KATAZA Hirokazu, UTSUNOMIYA Shin, YAMAMOTO Ryo
  • 学会等名: 12th European Conference on Applied Superconductivity
  • 発表場所: Lyon, France
  • 年月日: 2015-09-06
  • 国際学会