CMBでさぐる宇宙創成 - 超伝導検出器の高速化

2023 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 23K13123
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 清野 結大 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(CPD) (70937672)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: ニュートリノ

研究実績の概要

宇宙最古の光である宇宙マイクロ波背景放射(CMB)の精密測定で、インフレーションなどの宇宙の始まりの物理を解き明かす。史上最大のCMB望遠鏡群を用いる実験Simons Observatoryでこれを達成する。本研究では超伝導検出器を開発し、従来検出器の弱点であった応答速度を高速化することで高分解能を実現する。
超伝導検出器の形状や膜厚のコントロールによって、2023年度までに目標値の時定数0.6msを下回ることに成功した。このパラメータ値を元に検出器の実機を作成した。実験室での冷却試験で時定数や収率が期待通りであることを確かめた後、実験Site(チリ)の望遠鏡に搭載した。実際の観測での分解能を評価するため、望遠鏡の運用のコミッショニングが現在進んでいる。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

検出器の応答性を従来より高速化させ、2023年度までに目標値の時定数0.6msを下回ることに成功したため。そののちSimons Observatoryの中・高周波の検出器の実機39台を作成し、実験室での性能評価試験も完了した。これらを実験Siteに搬入し、一部の望遠鏡でのCMB観測も開始した。
さらに従来の研究計画を発展させたプランも進めている。より安定した観測を実現するために、ノイズ耐性を強化したバージョンの検出器の作成を計画している。

今後の研究の推進方策

望遠鏡運用のコミッショニングを進め、CMB観測を開始できるようにする。またSiteでのノイズ環境での時定数などの応答性を評価する。CMB観測等の結果から、応答性の高速化によって向上した分解能を実測する。
また一部の帯域の検出器ではより安定した観測を実現するために、ノイズ耐性を強化した検出器を作成する。検出器に入ってきたエネルギーを逃がす熱伝導のパスなどを強化する。本来は単なるスペアの検出器を作成予定であったが、アップグレードしたものを作成する予定である。これまでの検出器より性能向上が見込まれるため、完成後は2025年度中に従来のものと入れ替えを計画している。

次年度使用額が生じた理由

次年度の旅費が不足することが予想されたため。
旅費として使用する。

研究成果

• [国際共同研究] Princeton University/Pennsylvania University/NIST(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Princeton University/Pennsylvania University/NIST
  • 他の機関数: 3
• [雑誌論文] The Simons Observatory: Large-Scale Characterization of 90/150 GHz TES Detector Modules (2024)
  • 著者名/発表者名: Daniel Dutcher, Shannon M. Duff, John C. Groh, Erin Healy, Johannes Hubmayr, Bradley R. Johnson, Dante Jones, Ben Keller, Lawrence T. Lin, Michael J. Link, Tammy J. Lucas, Samuel Morgan, Yudai Seino, Rita F. Sonka, Suzanne T. Staggs, Yuhan Wang, Kaiwen Zheng
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 214 ページ: 247--255
  • DOI: 10.1007/s10909-023-03045-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Development of fast modulated radiator for responsivity and time constant calibration (2023)
  • 著者名/発表者名: Yudai Seino, Junya Suzuki, Daisuke Kaneko, Masaya Hasegawa, Osamu Tajima, Michele Limon
  • 学会等名: Low Temperature Detectors 20
  • 国際学会
• [学会発表] The Simons Observatory: 90 and 150 GHz Detector Module Testing Summary (2023)
  • 著者名/発表者名: Daniel Dutcher, Simons observatory collaboration
  • 学会等名: Low Temperature Detectors 20
  • 国際学会
• [学会発表] Simons Observatory Mid- and High- Frequency Wafer Production at NIST (2023)
  • 著者名/発表者名: Shannon M. Duff, Simons observatory collaboration
  • 学会等名: Low Temperature Detectors 20
  • 国際学会