史上最大のCMB望遠鏡群で解き明かす宇宙創成

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H04913
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 田島 治 京都大学, 理学研究科, 教授 (80391704)
• 研究分担者: 木内 健司 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (00791071) ; Matsuda Frederick 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, 特任助教 (40867032) ; 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 岡山大学, 自然科学学域, 特任助教 (50780847) ; 長谷川 雅也 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 研究機関講師 (60435617) ; 松村 知岳 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 准教授 (70625003) ; 安達 俊介 京都大学, 白眉センター, 特定助教 (80835273) ; 服部 誠 東北大学, 理学研究科, 准教授 (90281964) ; 鈴木 惇也 京都大学, 理学研究科, 助教 (90795014)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2027-03-31
• キーワード: 宇宙背景放射 / インフレーション / 原始重力波 / ニュートリノ

研究実績の概要

「宇宙のはじまりとは？」人類が抱く究極の問いに迫る。宇宙最古の光である宇宙マイクロ波背景放射（CMB）には、重力場の量子ゆらぎとインフレーション宇宙論の証拠である「原始重力波」、素粒子大統一理論を探る鍵となる「ニュートリノ質量和」、さらには「暗黒放射」など、宇宙創成を記述する物理学に直結する情報が豊富に含まれている。史上最大のCMB望遠鏡群を用いる実験“Simons Observatory”でこれらのサイエンスを網羅し、宇宙創成の解明を目指す。

観測データがあるだけでは実験研究は成功しない。データを活かすも殺すも望遠鏡の“較正”次第である。その中でも特に重要になるのが、偏光角（CMB 偏光軸とそれを検波するアンテナの向きがなす角度）の較正と、焦点面センサーの時間応答性の較正である。これらを較正するため、先行研究に引き続き「まばらに張ったワイヤーグリッド」を使った較正装置“Sparse Wiregrid Calibrator”と、人工の黒体放射源を用いた較正装置“Stimulator”を開発し、実験室内でのコミッショニングを行った。このコミッショニングデータを評価分析するために解析ソフトウェアの開発も進めた。較正以外にも実験感度を制限しかねない系統誤差要因がある。その最大要因である「迷光」の望遠鏡内への侵入を徹底的に遮断するための“バッフル”も開発・現地搬送した。また、次年度より開始する５台目の望遠鏡（名付けてJSAT）の開発に向けて、望遠鏡を設置するプラットフォームの設計を完了し、その製作を開始する準備を完了した。このプラットフォームの設計は当初の計画よりも一年早く達成することができた。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本研究では、日本独自のCMB望遠鏡「JSAT」を開発し、チリ・アタカマ高地に設置して観測を行う計画である。当初、望遠鏡のプラットフォームの設計と製作はそれぞれ2023年度と2024年度を予定していた。一方で、共同研究を行うイギリスグループも同様な望遠鏡を追加で開発することになった。これを受けて、日英で共同で設計開発を前倒しして今年度進め、2023年度に前倒し製作する準備を完了した。
以上の理由から、当初の計画以上に進展している。

今後の研究の推進方策

望遠鏡プラットフォームの製作を当初予定より一年前倒しして進める。それに伴って、観測サイトの整備も前倒しして進めていく。プラットフォームに搭載する望遠鏡JSATは、当初の予定通り開発を進める。2023年度には、JSATの重要物品である無冷媒希釈冷凍機等の手配を行う。
一方、先行研究で開発した望遠鏡や較正装置を用いた観測が2023年度より開始される。現地（チリ・アタカマ高地、海抜5,200 m）での観測立ち上げ、データ取得、望遠鏡の較正、そしてデータ解析ソフトウェアの整備を行なっていく予定である。

研究成果

• [国際共同研究] ローレンスバークレー国立研究所/カリフォルニア大学サンディエゴ校/プリンストン大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ローレンスバークレー国立研究所/カリフォルニア大学サンディエゴ校/プリンストン大学
  • 他の機関数: 23
• [国際共同研究] Pontificia Universidad Catolica de Chile(チリ)
  • 国名: チリ
  • 外国機関名: Pontificia Universidad Catolica de Chile
• [国際共同研究] McGill/University of British Columbia/University of Toronto(カナダ)
  • 国名: カナダ
  • 外国機関名: McGill/University of British Columbia/University of Toronto
• [国際共同研究] Manchester University/Cardiff University/Cambridge University(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: Manchester University/Cardiff University/Cambridge University
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] APC/Sussex(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: APC/Sussex
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 3
• [雑誌論文] Broadband Multi-layer Anti-reflection Coatings with Mullite and Duroid for Half-wave Plates and Alumina Filters for CMB Polarimetry (2022)
  • 著者名/発表者名: Sakaguri Kana、Hasegawa Masaya、Sakurai Yuki、Hill Charles、Kusaka Akito
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 209 ページ: 1264～1271
  • DOI: 10.1007/s10909-022-02847-0
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Simons Observatory: A large-diameter truss for a refracting telescope cooled to 1 K (2022)
  • 著者名/発表者名: K. D. Crowley, P. Dow, J. E. Shroyer, J. C. Groh, B. Dober, J. Spisak, N. Galitzki, T. Bhandarkar, M. J. Devlin, S. Dicker, P. A. Gallardo, K. Harrington, J. Iuliano, B. R. Johnson, D. Johnson, A. M. K., A. Kusaka, F. Nati, J. Orlowski-Scherer, L. Page, M. Randall, G. Teply, T. Tsan, E. J. Wollack, Z. Xu, N. Zhu
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 93 ページ: 055106-1~17
  • DOI: 10.1063/5.0093857
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Simons Observatory: Galactic Science Goals and Forecasts (2022)
  • 著者名/発表者名: Hensley Brandon S.、Clark Susan E.、Fanfani Valentina、Krachmalnicoff Nicoletta、Fabbian Giulio、他２８名
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 929 ページ: 166～166
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac5e36
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Simons Observatory: characterizing the Large Aperture TelescopeReceiver with radio holography (2022)
  • 著者名/発表者名: Chesmore Grace E.、Harrington Kathleen、Sierra Carlos E.、Gallardo Patricio A.、Sutariya Shreya、他２２名
  • 雑誌名: Applied Optics 巻: 61 ページ: 10309～10309
  • DOI: 10.1364/AO.470138
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Development of a Cryogenic Half-wave Plate for Simons Observatory (2023)
  • 著者名/発表者名: Junna Sugiyama for Simons Observatory Collaboration
  • 学会等名: International Conference on the Physics of the Two Infinities
  • 国際学会
• [学会発表] Optical Performance of the Sparse Wire Grid Calibrator for Simons Observatory (2023)
  • 著者名/発表者名: Hironobu Nakata for Simons Observatory Collaboration
  • 学会等名: International Conference on the Physics of the Two Infinities
  • 国際学会
• [学会発表] Simons Array and Simons Observatory; probing cosmic inflation and particle physics from Chile (2023)
  • 著者名/発表者名: Masaya Hasegawa
  • 学会等名: International Conference on the Physics of the Two Infinities
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Simons Observatory実験に用いる低温偏光変調器の運転試験および望遠鏡との統合試験 (2023)
  • 著者名/発表者名: 杉山純菜, 他Simons Observatory コラボレーション
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] Simons Observatory実験小口径望遠鏡の統合試験の現状報告 (2023)
  • 著者名/発表者名: 寺崎友規, 他Simons Observatory コラボレーション
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] 次世代マイクロ波背景放射偏光観測実験 Simons Observatory の現状報告 (2023)
  • 著者名/発表者名: 桜井雄基, 他Simons Observatory
  • 学会等名: 日本天文学会2023年春季大会
• [学会発表] Simons Observatory実験小口径望遠鏡に用いる低温光学鏡筒の開発と統合試験 (2023)
  • 著者名/発表者名: 木内健司、Simons Observatory
  • 学会等名: 日本物理学会 2023 年春季大会
• [学会発表] Development of a calibration device using blackbody radiation in the Simons Observatory (2023)
  • 著者名/発表者名: 清野結大, 他Simons Observatory
  • 学会等名: 日本物理学会 2023 年春季大会
• [学会発表] Kria SOM で作るお手軽なデータ取得システム (2023)
  • 著者名/発表者名: 鈴木惇也、清野結大、田島治
  • 学会等名: 日本物理学会 2023 年春季大会
• [学会発表] Development of the Calibration System with a sparse wire grid for Small Aperture Telescope of Simons Observatory (2022)
  • 著者名/発表者名: Masaaki Murata, Hironobu Nakata, Kengo Iijima, Shunsuke Adachi, Yudai Seino, Kenji Kiuchi, Frederick T. Matsuda, Akito Kusaka, Osamu Tajima
  • 学会等名: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
  • 国際学会
• [学会発表] The development of a calibrator to reduce systematic errors for the observation of B-mode and EB-mode polarization signals (2022)
  • 著者名/発表者名: Hironobu Nakata for Simons Observatory Collaboration
  • 学会等名: Galactic Science & CMB Foregrounds workshop
  • 国際学会
• [学会発表] CMB偏光観測に用いる反射防止膜の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 坂栗佳奈
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会
  • 招待講演
• [学会発表] Simons Observatory実験に用いる低温偏光変調器の効率化と性能評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 杉山純菜, 他Simons Observatory コラボレーション
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [学会発表] 小口径望遠鏡の受信器を用いた 偏光角較正装置スパースワイヤーグリッドの光学性能評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中田嘉信, 他Simons Observatory コラボレーション,
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [学会発表] Simons Observatory実験に用いる偏光角装置の光学測定に向けた準備 (2022)
  • 著者名/発表者名: 飯島健五,村田雅彬, 中田嘉信, 安達俊介, 清野結大, 木内健司, 松田フレドリック, 日下暁人, 田島治, Simons Observatory Collaboration
  • 学会等名: 日本物理学会2022年度秋季大会
• [学会発表] Simons Observatory 小口径望遠鏡用光学鏡筒の開発と統合試験 (2022)
  • 著者名/発表者名: 木内健司、Simons Observatory
  • 学会等名: 日本物理学会 2022 年秋季大会
• [学会発表] Current Status and Prospects of Cosmic Microwave Background Polarization Experiments (2022)
  • 著者名/発表者名: Kenji Kiuchi
  • 学会等名: Physics in LHC and Beyond
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Scientific challenges expected from future space experiments (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomotake Matsumura
  • 学会等名: From Planck to the future of CMB
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] RFSoC を用いたマイクロ波読み出し (2022)
  • 著者名/発表者名: 鈴木惇也
  • 学会等名: RFSoC 情報交換会
• [学会発表] RFSoC の応用 -- 超伝導共振器と分光器 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鈴木惇也、石徹白晃治、本多俊介、末野慶徳、田島治
  • 学会等名: 日本物理学会 2022 年秋季大会
• [学会発表] RFSoC を用いたリードアウト － 超伝導多重化読み出しと広帯域分光器の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鈴木惇也
  • 学会等名: 計測システム研究会2022
• [備考] Simons Observatory
  • URL: https://simonsobservatory.org/index.php
• [備考] Kyoto CMB Group
  • URL: https://www-he.scphys.kyoto-u.ac.jp/research/CMB/index.html
• [備考] Kusaka Lab.
  • URL: http://www.cmb.phys.s.u-tokyo.ac.jp/
• [備考] The Kavli IPMU CMB Group
  • URL: https://sites.google.com/view/ipmucmb/home-jp