2018 Fiscal Year Annual Research Report
史上最大のCMB望遠鏡群で観るビッグバン宇宙の種火とニュートリノ質量の絶対値
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17H06134
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
田島 治 京都大学, 理学研究科, 准教授 (80391704)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
片山 伸彦 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 教授 (50290854)
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)
木内 健司 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (00791071)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | 宇宙マイクロ波背景放射 / 原始重力波 / インフレーション / ニュートリノ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
インフレーションの決定的証拠”原始重力波”は、ビッグバン熱放射の残光CMB(宇宙マイクロ波背景放射)の上に大角度の特殊な偏光パターン”Bモード”として刻印される。一方、小角度のBモードは、銀河団の重力レンズ効果に感度があり、これを通してニュートリノ質量和を制限出来る。本研究は史上最大のCMB望遠鏡群プロジェクトSimons Observatory (SO)の望遠鏡を開発し、これらの物理を追究する。研究期間内に実データに基づいた性能実証で、そのサイエンス展望を示す。
SOは、大角度スケール観測に特化した望遠鏡（SAT）3台と、小角度スケールパターンの観測に特化した望遠鏡（LAT）1台を製作しており、本研究ではSATの開発に注力する。特に日本グループはSATの心臓部である極低温光学系（OT）の全台数の開発を請け負っている。
SAT１号機用OTのメカニカル設計・熱設計に基づいて構造体の製作を行った。OTは1Kもの極低温に保つ必要があり、その構造体は純度の高いアルミニウムで構築することにした。一方、純度の高いアルミニウムの機械的強度と公差を要求値（もっとも厳しい箇所で0.1mm）に保つ必要もある。最終的に、構成するパーツを一回り大きく作り、一度組み上げた後に切削加工をすることで要求精度を達成した。
光学シミュレーション研究を深めていく過程で、OTの内壁面の光反射率を1％未満（従来のCMB望遠鏡の1/10未満）に抑制することで、高い観測感度を担保できることが判明した。その為には、極低温にできること（熱伝導が良いこと）と、電波吸収率が高い事を両立せねばならない。このような性質を持つ「黒体」を、3Dプリンタ技術を応用して開発した。従来の極低温用黒体と比較して一桁優れた性能を達成したことで、高い観測感度を担保できる見通しが立った。上記と並行して、次年度に行うOTの冷却試験に向けての準備も行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2017年度に生じた国際コラボレーションとしての意思決定の遅れに加えて、上述の問題の解決策の模索に時間を要し、2018年度までは研究費の繰越しを余儀なくされた。しかしながら、本課題に参画する若手研究者間の有機的連携によって、問題の解決方法を効率的に確立してきた。その結果、これまでの遅れをほぼ取り戻すことに成功した。
高純度アルミ構造体の高公差加工技術の確立と、3Dプリンタ技術を応用した黒体（電波吸収材）の開発を順調に行い、OT開発のキーテクノロジーを確立した。
その他、初計画にはなかった(a) 偏光角キャリブレーション装置（通称 Wiregrid Loader）の開発・製作、(b) LATの受信機を較正する黒体放射源（通称 Stimulator）の開発・製作、を国際コラボレーションの中で日本グループが担当することになった。これらは望遠鏡完成後、観測を開始する際に最も重要な装置である。国際コラボレーションの中で、日本グループの貢献が評価され、当初の研究計画よりも密接かつ高い貢献が期待され、それにしっかりと答えていると言える。また、追加項目となった較正装置は、代表者と分担者の先行実績の発展研究であり着実な進捗が見込める。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に開発したOTの高純度アルミニウム構造体に、本年度に技術を確立した黒体を取り付け、OT構造体を完成する。3次元測定器を用いたジオメトリの精密測定によって、公差要求を満たす事を確認し、さらに、極低温に冷却する試験を行う。
一方、望遠鏡の感度を最大化する為には、“迷光”と呼ばれる観測値周辺の山からの地面放射の影響も、徹底的に抑制する必要がある。従来実験では観測開始後に場当たり的に対処されてきたこの課題に対して、本研究では波動光学シミュレーションを駆使して、対応策を検討する。
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