原始重力波の精密測定を目指した偏光変調器の研究

• 研究課題/領域番号: 18J20148
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理(実験)
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 小松 国幹 岡山大学, 自然科学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2018-04-25 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 2,800千円 (直接経費: 2,800千円); 2020年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2019年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2018年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: 宇宙マイクロ波背景放射 / 偏光変調器 / 半波長板 / ミリ波 / 極低温 / インフレーション / 原始重力波 / Bモード偏光

研究実績の概要

LiteBIRDは宇宙マイクロは背景放射のBモード偏光を大角度スケールで精密観測することで原始重力波の強度に当たるパラメータであるテンソル・スカラー比を誤差0.001以下の精度で測定し代表的なインフレーションモデルの検証をおこうなう科学衛星である．LiteBIRDでは偏光観測の精度向上のため連続回転半波長板を用いた偏光変調器を搭載し，熱雑音等の観点から20K以下の低温で運用する．本研究はLiteBIRDの低周波望遠鏡用の偏光変調器の開発及びその評価環境の構築を目的としている．
本年度はまず昨年度に作製した5層広帯域多層半波長板に対して広帯域反射防止構造を施し直径50mmの小型サンプルを作製した．その後，作製したサンプルを小型回転機構にマウントすることで1/10スケールの偏光変調器の試作機を構築した．昨年度までに構築したミリ波低温光学測定系を用いて構築した変調器を約20Kまで冷却し，実際に回転させることで得られた変調信号や回転機構の回転部の振動などの情報から信号に含まれる周波数成分とその起源の洗い出しや，反射防止構造付き半波長板の低温での動作確認を行なった．これらの成果に加えて，昨年度考案した実効的な光学軸角度に周波数依存性を持たない新たな半波長板デザインに関して最適化手法やアセンブリ精度と性能の関係などについてまとめ，それぞれ国際学会においてのポスター発表を行った．前者に関しては国内学会でも口頭発表を行なっている．
コロナウイルス蔓延に関連した実験施設の閉鎖などの影響から採用期間は9月まで延長されている．残りの期間では上記の国際学会で発表した2件の成果についてジャーナル論文への投稿を進めるとともに，考案したAHWPデザインのLiteBIRDの観測に与えるインパクトを見積もるシミュレーションの結果をまとめ博士論文を執筆する予定である．

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Broadband, millimeter-wave anti-reflective structures on sapphire ablated with femto-second laser (2020)
  • 著者名/発表者名: Takaku R.、Hanany S.、Imada H.、Ishino H.、Katayama N.、Komatsu K.、Konishi K.、Kuwata-Gonokami M.、Matsumura T.、Mitsuda K.、Sakurai H.、Sakurai Y.、Wen Q.、Yamasaki N. Y.、Young K.、Yumoto J.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 128 号: 22 ページ: 225302-225302
  • DOI: 10.1063/5.0022765
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Demonstration of the broadband half-wave plate using the nine-layer sapphire for the cosmic microwave background polarization experiment (2019)
  • 著者名/発表者名: Komatsu Kunimoto、Matsumura Tomotake、Imada Hiroaki、Ishino Hirokazu、Katayama Nobuhiko、Sakurai Yuki
  • 雑誌名: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems 巻: 5 号: 04 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1117/1.jatis.5.4.044008
• [学会発表] Demonstration of five-layer phase-flat achromatic half-wave plate with anti-reflective structures and superconducting magnetic bearing for CMB polarization experiments (2020)
  • 著者名/発表者名: Kunimoto Komatsu, Hirokazu Ishino, Hirokazu Kataza, Kuniaki Konishi, Makoto Kuwata-Gonokami, Nobuhiko Katayama, Shinya Sugiyama, Tomotake Matsumura, Haruyuki Sakurai, Yuki Sakurai, Ryota Takaku, Junji Yumoto
  • 学会等名: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation, 2020, Online Only
  • 国際学会
• [学会発表] Design of the frequency independent optic axis of the Pancharatnam base achromatic half-wave plate for CMB polarization experiment (2020)
  • 著者名/発表者名: Kunimoto Komatsu, Hirokazu Ishino, Nobuhiko Katayama, Tomotake Matsumura, Yuki Sakurai, Ryota Takaku
  • 学会等名: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation, 2020, Online Only
  • 国際学会
• [学会発表] LiteBIRD低周波望遠鏡用の広帯域多層半波長板の小型版での低温ミリ波偏光性能評価 (2) (2020)
  • 著者名/発表者名: 小松国幹, 石野宏和, 五神真, 片山伸彦, 片坐宏一, 小西邦昭, 松村知岳, 櫻井治之, 櫻井雄基, 高久諒太, 湯本潤司
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] LiteBIRD低周波望遠鏡用の広帯域多層半波長板の小型版での低温ミリ波偏光性能評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小松国幹, 石野宏和, 片坐宏一, 小西邦昭, 五神真, 片山伸彦, 松村知岳, 櫻井治之, 桜井雄基, 高久諒太, 湯本潤司
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] MM-wave performance of the small BBM HWP for LFT at below 20 K (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Komatsu et al.
  • 学会等名: LiteBIRD global F2F meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Demonstration of mm-wave performance of small prototype LiteBIRD LFT AHWP at around 20K (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Komatsu et al.
  • 学会等名: LiteBIRD global F2F meeting and B mode from Space
  • 国際学会
• [学会発表] The current state of demonstration for the achromatic half-wave plate of LiteBIRD's low-frequency telescope (2019)
  • 著者名/発表者名: Komatsu et al.
  • 学会等名: LiteBIRD国際ミーティング
  • 国際学会
• [学会発表] LiteBIRD偏光変調器の小型広帯域多層半波長板の低温ミリ波偏光性能評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小松国幹, 松村知岳, 桜井雄基, 片山伸彦, 石野宏和, 他 LiteBIRD Phase-A1 team
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] Prototype design and evaluation of the nine-layer achromatic half-wave plate for the LiteBIRD low frequency telescope (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Komatsu et al.
  • 学会等名: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
  • 国際学会
• [学会発表] LiteBIRD偏光変調器の極低温で作動する回転機構の実現性実証に向けた小型試作機の性能評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小松国幹, 松村知岳, 桜井雄基, 片山伸彦, 石野宏和, 他 LiteBIRD Phase-A1 team
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
• [学会発表] 宇宙背景放射偏光測定科学衛星実験で使用する部材の放射線耐性の研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小松国幹, 他H337コラボレータ
  • 学会等名: H29年度HIMAC共同利用研究成果発表会