極低温Siレンズを用いた広視野CMB 偏光望遠鏡の開発

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01115
• 研究機関: 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
• 研究代表者: 関本 裕太郎 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (70262152)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 宇宙マイクロ波背景放射 / ミリ波光学系 / 広視野偏光観測 / 極低温望遠鏡 / 高誘電体レンズ

研究実績の概要

宇宙マイクロ波背景放射(CMB) の偏光観測によって、宇宙インフレーションによって生じた原始重力波の痕跡(B-mode 偏光) の観測が可能である。CMB 偏光観測するのに適した広視野かつコンパクトなミリ波望遠鏡を開発した。広帯域かつ広視野のミリ波望遠鏡にて観測することで、銀河面内の星間ダストからの前景放射を効率的に差し引くことができるようになり、確度の高い宇宙インフレーションの物理情報を引き出すことができる。
高い屈折率を持ち、かつ、ミリ波にて低損失のシリコン(Si)はミリ波光学系として有望な素材である。が、反射防止が必要となる。機械的切削及び深掘りエッチングにより、シリコンレンズに広帯域反射防止膜を加工することに成功した。極低温にて金属にてシリコンレンズを保持するために、熱膨張係数の違いを逃す機構を製作した。ミリ波用シリコンレンズは、CMB観測のみならず、ミリ波天文学にも適用が可能である。
ミリ波近傍解測定法により、広視野望遠鏡の広角サイドローブパターンを高精度 (-50 dB)にて測定した。同時に交差偏波パターンを測定し、宇宙マイクロ波背景放射の偏光観測にかかる系統誤差の削減が可能であることを示した。さらに広視野における望遠鏡の偏光角特性の高精度測定を実現した。
以上の開発研究により、ミリ波広視野極低温偏光望遠鏡の開発を進め、宇宙インフレーションの観測への道筋をつけた。

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

• [国際共同研究] CNRS/CNES/IRAP(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: CNRS/CNES/IRAP
• [国際共同研究] Univ. of Rome/Univ. of Milano(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: Univ. of Rome/Univ. of Milano
• [国際共同研究] Univ. of California, Berkeley/NIST/Stanford Univ(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Univ. of California, Berkeley/NIST/Stanford Univ
• [国際共同研究] McGill Univ./Univ. of British Colombia(カナダ)
  • 国名: カナダ
  • 外国機関名: McGill Univ./Univ. of British Colombia
• [雑誌論文] Fabrication of three-layer silicon antireflection structures in200?450??GHz using deep reactive ion etching (2021)
  • 著者名/発表者名: Hasebe Takashi、Hayashi Tasuku、Shohmitsu Yoshinori、Nitta Tom、Matsuo Hiroshi、Sekimoto Yutato
  • 雑誌名: Applied Optics 巻: 60 ページ: 10462～10462
  • DOI: 10.1364/AO.441969
  • 査読あり
• [雑誌論文] GroundBIRD: A CMB Polarization Experiment with MKID Arrays (2020)
  • 著者名/発表者名: [K. Lee,J. Choi,R. T. Genova-Santos,M. Hattori,M. Nagai,T. Nagasaki,M. Naruse,S. Oguri,C. Y. Sekimoto
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 200 ページ: 384～391
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02511-5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Updated Design of the CMB Polarization Experiment Satellite LiteBIRD (2020)
  • 著者名/発表者名: Sugai H., P. A.R. Ade,Y. Akiba,D. Alonso, ... , Y. Sekimoto, ...
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 199 ページ: 1107～1117
  • DOI: 10.1007/s10909-019-02329-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] LiteBIRD Cryogenic Chain: 100mK Cooling with Mechanical Coolers and ADRs (2020)
  • 著者名/発表者名: Duval Jean-Marc、Prouve Thomas、Shirron Peter、Shinozaki Keisuke、Sekimoto Yutaro、Hasebe Takashi、Vermeulen Gerard、Andr? J?rome、Hasumi Masashi、Montier Ludovic、Mot Baptiste
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 199 ページ: 730～736
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02371-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of Multi-Layer Anti-Reflection Structures for Millimeter-Wave Silicon Optics Using Deep Reactive Ion Etching Process (2020)
  • 著者名/発表者名: Hasebe Takashi、Hayashi Tasuku、Takakura Hayato、Sekimoto Yutaro、Ishikawa Kumi、Shohmitsu Yoshinori、Noda Kazuhusa、Saeki Satoshi、Ezoe Yuichiro、Nitta Tom
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 199 ページ: 339～347
  • DOI: 10.1007/s10909-019-02286-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Resonance Spectra of Coplanar Waveguide MKIDs Obtained Using Frequency Sweeping Scheme (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagai M.、Murayama Y.、Nitta T.、Kiuchi H.、Sekimoto Y.、Matsuo H.、Shan W.、Naruse M.、Noguchi T.
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 199 ページ: 250～257
  • DOI: 10.1007/s10909-019-02262-y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Overview of the medium and high frequency telescopes of the LiteBIRD space mission (2020)
  • 著者名/発表者名: Montier Ludovic, P. A.R. Ade,A. Adler,E. Allys,K. Arnold, ..., Y. Sekimoto, ...
  • 雑誌名: SPIE proceedings 巻: 11443 ページ: 114432G
  • DOI: 10.1117/12.2562243
• [雑誌論文] LiteBIRD satellite: JAXA's new strategic L-class mission for all-sky surveys of cosmic microwave background polarization (2020)
  • 著者名/発表者名: Hazumi Masashi, ,P. A.R. Ade,A. Adler,E. Allys,K. Arnold, ..., Y. Sekimoto, ...
  • 雑誌名: SPIE proceedings 巻: 11443 ページ: 114432F
  • DOI: 10.1117/12.2563050
• [雑誌論文] Concept design of low frequency telescope for CMB B-mode polarization satellite LiteBIRD (2020)
  • 著者名/発表者名: Sekimoto Yutaro、et al
  • 雑誌名: SPIE proceedings 巻: 11453 ページ: 1145310
  • DOI: 10.1117/12.2561841
• [学会発表] LiteBIRD低周波望遠鏡スケールモデルの広視野偏光角測定の高精度化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高倉隼人, 関本裕太郎, 中野遼, 稲谷順司, 鹿島伸悟, 杉本正宏
  • 学会等名: 日本天文学会
• [学会発表] CMB偏光観測衛星LiteBIRDのミッション部の極低温熱設計 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小田切公秀, 西城大, 篠崎慶亮, 杉本諒, 小川博之, 松田フレドリック, 小栗秀悟, 関本裕太郎, 堂谷忠靖, 一色雅仁, 吉田誠至
  • 学会等名: 宇宙科学技術連合講演会