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宇宙マイクロ波背景放射実験 と低温工学 2008.12.24 超流動ヘリウム冷却システム技術調査研究会 高エネ研 都丸 隆行
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問題 ロケットでいくつかの物質を宇宙空間に運んだとき、次のどれが 達成できるでしょうか？ （周囲には何も無い深宇宙空間、ガスの圧力は１気圧とします。） 答え： 液体 He ができる。 ↑
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宇宙空間の温度 ＝ 2.725 K ＝ 宇宙マイクロ波背景放射の温度 WMAP 衛星 太陽からの輻射シールド Thermal Radiator 2.7K へ
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1. 宇宙マイクロ波背景放射（ CMB ）とは ビッグバン宇宙論 （ガモフ、 1948 ） 宇宙に存在する物質の 73 wt% は水素、 24 wt% はヘリウム、 これより重い元素はわずか 3 wt% である。なぜ？ → 宇宙初期に高温の火の玉状態が存在すれば、核反応で 効率よく軽元素を合成できる。 物質と光の 高温スープ状 宇宙 “ 透明な ” 宇宙 宇宙の晴れ上がり 宇宙膨張 → T = 3000K 宇宙誕生から 38 万年後 光が直進出来るよう になる
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T=3000K で放射された電磁波は、宇宙膨張と共に波長が引き延ばされる。 → 現在の宇宙では、プランク分布（黒体輻射）を持つ、 温度〜 5K のマイクロ波となっているはず。 全宇宙はこのマイクロ波で充たされている！ ビッグバン宇宙論からの帰結 ・ 1947 年 コンビントン（カナダ） ・ 1951 年 田中春夫（名大） ・ 1960 年 ディッケとウィルキンソン（米国） ・ 1965 年 ペンジアスとウィルソン（米国）
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めい 空 基準光源１（常温３００ K ） 基準光源２（６００ K ） 温度温度 強度 T１T１ T２T２ T空T空 名大グループ（ 1951 ） 宇宙の温度が < 5K であることを 示した。 Calibration の温度が高かった。
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1965 年 ペンジアスとウィルソン 空 基準光源１ （３００ K) 基準光源２ （液体ヘリウム４ K) 温度温度 T１T１ T２T２ T空T空 求められた温度 3.5K 波長 7.3cm 線の通信アンテナで宇宙から一様に 降り注ぐ電波を発見。 Calibration 温度が十分 低かったのが勝因 1978 年ノーベル賞
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1989 年 COBE 衛星 キレイな黒体輻射であることを確認 温度は 2.725K ΔT = 10μK で温度分布が存在することを確認。 宇宙の誕生からわずか 38 万年後には、宇宙の階層構造を作るタネが存在した！ （重力不安定説の根拠） 2006 年度ノーベル物理学賞 DMR による温度差計測 ダイポール成分 （地球の固有運動） は除去
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2001 WMAP 衛星 64GHz で 0.2 度角の極めて高分解能の CMB 温度分布測定を達成 温度揺らぎの空間分布 パワースペクトラム解析 特徴的なピークの形状・大きさから 様々な宇宙論パラメータを決定できる。 再結合期の 音地平線 音地平線：音速で到達できる限界領域 再結合期の音地平線の大きさは、 現在で 0.8° （〜月の視直径）
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WMAP のもたらした驚くべき事実 宇宙の年齢 137 ± 2 億年 宇宙の晴れ上 がり時刻 37.9 +0.8 -0.7 万年 ハッブル定数 0.72 ± 0.05 宇宙の組成 ダークエネルギー 74% ダークマター 22% 通常物質 4% 宇宙物理学は精密観測の時代に 入ると共に、さらなる謎も深まった。
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2. CMB による原始重力波探査 WMAP による CMB 偏光の観測 CMB E モード → CMB の偏光情報から宇宙を探ることが 次の大きな課題 B. Winstein 基本的なメカニズム：トムソン散乱
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ここ 10 年くらいの理論的研究で分かってきたこと： CMB の偏光には、インフレーション時に放射された重力波の 情報が刻まれている！ 重力波のみで生成可能な特徴的な 偏光分布パターンを生じる トムソン散乱（ E モード） 重力波（ B モード）
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なぜそれほど CMB B モードが重要か？ 宇宙の歴史
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宇宙を語る言葉 一般相対性理論 A. Einstein ・特殊相対性理論（ 1905 ） 〜 光速に近い等速運動を記述した 座標変換の理論 ・一般相対性理論（ 1916 ） 〜 重力の理論 ニュートンの重力理論（ 1687 ） 万有引力（力学） 一般相対論 時空の幾何学 mm m （古典論） インフレーション時に放射された重力波 → 量子重力理論
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3. Lite BIRD 計画 現在米国を中心に地上のミリ波望遠鏡で CMB B mode を検出しようとする計画が乱立中。 しかし、本格的な観測のためには、人工衛星が必用。 世界に先駆けて CMB B mode の検出を行うため、 10 年後の人工衛星打ち上 げを目指す。 今年、 KEK 素核研を中心に 宇宙物理実験グループが 誕生
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Group members Name Institution Role* Hideo Matsuhara JAXA JAXA PI, orbit, scan Kazuhisa Mitsuda JAXA PSD Tetsuya Yoshida JAXA Tests with Baloons Yoichi Sato JAXA Thermal engineering Hiroyuki Sugita JAXA Thermal engineering Hirokazu Ishino Okayama Univ. DAQ, PSD Atsuko Kibayashi Okayama Univ. Simulation Tomotake Matsumura Caltech Orbit, scan, optics Adrian Lee UC Berkeley PI for foreign institutions, PSD, modulation scheme Izumi Ota Kinki Univ. Evaluation of optics Mitsuhiro Yoshida KEK Optics Nobuaki Sato KEK Simulation Kazutaka Sumisawa KEK PSD Osamu Tajima KEK systematic errors Masashi Hazumi KEK PI Toshikazu Suzuki KEK Thermal engineering Takayuki Tomaru KEK Thermal engineering, modulation scheme Masaya Hasegawa KEK Tests with baloons Takeo Higuchi KEK DAQ Eichiro Komatsu UT Austin Science Yoshinori Uzawa NAOJ PSD Yutaro Sekimoto NAOJ PSD Takashi Noguchi NAOJ PSD Makoto Hattori Tohoku Univ. Foregrounds, systematic errors Chiko Otani RIKEN PSD *Roles should not be restricted to those listed here. Consultants (no duty on real work) Name Institution Role Cf. -------------------------------------------------------------------- Takao Nakagawa JAXA Satellite SPICA PI Shuji Matsuura JAXA Satellite Hideo Kodama KEK Science theorist Ryohei Kawabe NAOJ optics, PSD ASTE member --------------------------------------------------------------------- 今年 10 月に JAXA へ Working Group 申請 ↓ 承認
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LiteBIRD の感度曲線 Figure by Yuji Chinone
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LiteBIRD の特徴 ・ 小型衛星 ミッション部 < 200kg トータル < 400kg 消費電力 < 500W ・ 周波数帯域 90GHz, 150GHz, etc ・ 軌道 L2 or 太陽同期軌道 ・ Sensitivity Total NET < 1μK/rHz → 超伝導ディテクター 1000ch detector Array 赤外線天文衛星 SPICA と同様の無冷媒クライオスタット 方式を採用予定。
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LiteBIRD の冷凍システムの素案 SPICA の冷凍システムに準拠したもの を想定している。 2 段 Sterling 90K 20K 3He JT 〜 2K 2 段 ADR 〜 0.5 K 〜 0.1 K ・ TES だと漏れ磁場に弱い。 → 十分な磁気シールドが必用。 ・ 振動対策 ・ 小電力 ・ Radiative Cooling の十分な活用。 ・ 十分な輻射シールド などなど。 こんな感じか？
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4. LiteBIRD へ向けた低温・超伝導の R&D （ 1 ）超伝導ディテクター クーパーペアの壊れやすい性質を利用した、非常に高感度のディテクタ。 フォトンカウンティングを可能にする。 ・熱型（転移端センサー, TES ） ・電子対解離型（ STJ ） ・超伝導ミキサー ・マイクロ波インダクタンスセンサー 材質（エネルギーギャップ）の選択により マイクロ波領域からガンマ線領域まで、 様々な帯域のセンサーを作ることが可能。
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① Transition Edge Sensor （ TES, 転移端センサー） 1940 年代に開発。 1990 年代にようやく実用化。
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TES ボロメータの長所 ・すでに実用化フェーズにある。 ・大きなアレイ数のディテクタが可能。 40 single-color dual-pol pixels (4 wedges = 320 bolos) 90 (15 pixels), 150 (15), 220 (10) GHz Optical testing started A. Lee カリフォルニア大学 バークレー校 （ PolarBEAR project ）の Antenna Coupled TES A. Lee LiteBIRD は U.C. Berkley と提携し、 TES ボロメータ を導入する予定。 レンズレット Antenna Coupled TES TES ボロメータの短所 ・ SQUID が必用。 ・応答があまり早くない。 Al/Ti bilayer, T c =0.4 〜 0.6K
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② Superconducting Tunneling Junction （ STJ ）
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STJ の長所 ・応答が速い ・カバーできる周波数帯域が広い（ Al STJ では 40GHz 以上） ・漏れ磁場に強い KEK ・岡大・理研のグループでは、 CMB 用の Al STJ 素子開発を進めている。 アンテナ接続 Al/Nb-STJ 試 作 作成条件が既知の Nb/Al-STJ で試作 アンテナ結合ＳＴＪ Ｘ線用ＳＴＪ Nb50 nm Al25 nm AlOx 6 ～ 9nm(20Torr X 0.5Hour) Al25 nm アンテナ （ Nb ） 150 nm Al2O3100 nm シリコン基板 S S I
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GND へ パッドへ Nb 配線 Nb （Ｓ） Al （Ｓ） /AlOx （Ｉ） /Al （Ｓ） Nb( アンテナ ) AlO3( バッファ ) Si 基盤 Nb/Al-STJ ミリ波 クーパー対を 壊して検出 １００ μm 以下の赤で囲んだ部分が STJ(SIS 構造 ) GND へ パッドへ Nb 配線 Al （Ｓ） /AlOx （Ｉ） /Al （Ｓ） Al( アンテナ ) AlO3( バッファ ) Si 基盤 Al-STJ ミリ波 クーパー対を 壊して検出 注：Ｎｂ配線の下の SiO2 は見にくいので省略してある。 段差などは割と適当。 １００ μm
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じゅ 準粒子は動けない STJ の振る舞い： I-V 図 正しく動作して いる場合 正しく動作して いない場合 クーパー対も 動けない
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Nb/Al-STJ の試験 Ｈｅ４デュアーを使った I-V 測定 ・ アンテナ接続ＳＴＪ（ φ ７ μ ｍ x 2 ） 1MΩ 0.63K 1.6K ・ ダイヤ型ＳＴＪ（ 100μm ） 1.6K 0.63K 1.6K リークカレント 0.3nA @ 400μV ＊ 180nA (1.6K) リークカレント 5nA ＠ 200μV ＊ 40μA (1.6K) 両方ともうまく作成出来た。 今後：東北理研でミリ波照射のテストを行う。 縦軸： 10mA/div 横軸： 1mV/div 縦軸： 50μA/div 横軸： 0.5mV/div 磁場有り 横軸： 0.2mV/div 縦軸： 5nA/div 磁場有り 横軸： 0.5mV/div 縦軸： 1nA/div 磁場有り 縦軸： 500nA/div 磁場有り 横軸： 1mV/div 横軸： 2mV/div 縦軸： 50μA/div 最終的に > 40GHz 以上の 広帯域特性を持つ Al STJ へ 発展させる予定
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新しいクリーンルーム A picture of the experimental hall in which the clean rooms were built. Sputtering/Etching machines (~Aug.08 from RIKEN) Room A: 15m x 10m (Class 10000) Room B: 15m x 10m (Class 100000) Yellow room: 5m x 6m (Class 1000, in Room A) Mask aligner (Mar.08) A B Y
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雑談：「猫用トイレ問題」 米国とメキシコ・カナダ国境では、テロリストによる高濃縮ウランの密輸阻止のため、 厳しいチェックが行われている。 ウラン 235 から放射される 185.7keV のガンマ線を半導体センサーで探査。 しかし、猫用トイレの材料の粘土に含まれるラジウム 226 が放射する 186.1keV の ガンマ線との識別ができず、国境警備に頭を悩ませている。 超伝導センサーの普及により、国境警備隊は猫が好きになれるかもしれない。
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Al STJ の性能試験に向け、極低温冷凍機等を整備中 希釈冷凍機 200mW@100mK 0.3K 3He sorption 冷凍機
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（ 2 ） 低温キャリブレーションソースの開発
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5. まとめ ・宇宙マイクロ波背景放射（ CMB ）は初期宇宙を解明する重要なプローブである。 WMAP により、宇宙観測は黄金時代を迎えた。 ・ CMB の偏光計測は、インフレーション時に放射された初期重力波の情報を持っており、 宇宙誕生の謎や量子重力の世界を解明できる可能性がある。 ・ KEK 宇宙実験グループでは、 LiteBIRD 衛星計画で、この問題に挑む。 ・ CMB の温度は 2.7K と極低温で、必然的に低温技術が大きな役割を果たす。 ・非常に高感度の超伝導センサーが必須で、 KEK では特に STJ の開発を進めている。 U.C. Berkley では TES の開発で先行している。 ・低温キャリブレーターも開発中。 10 年後の観測に向け、スタートを切った。ご支援よろしくお願いします。
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