LiteBIRD 宇宙マイクロ波背景放射（CMB）偏光観測衛星 :計画の概要 KEK宇宙マイクロ波背景放射観測グループ 羽澄昌史 羽澄昌史　 masashi.hazumi@kek.jp

KEK CMB実験グループ 目的：CMB偏光度測定により原始重力波を探索し、素粒子と宇宙 の大問題であるインフレーションの謎を解く。 2007年１２月設立 CMB = Cosmic Microwave Background（宇宙マイクロ波背景放射） 目的：CMB偏光度測定により原始重力波を探索し、素粒子と宇宙 　　　　　の大問題であるインフレーションの謎を解く。 今のコアメンバー：羽澄（代表）、田島、長谷川（雅）、都丸、茅根 プロジェクト： QUIET POLARBeaR 科学衛星LiteBIRD （5年で）従来の探索を10倍改善 共同観測 （～10年で）100倍改善、全天観測 宇宙背景輻射セッションは、今日ここに誕生したセッションです。誕生には、世話人の方をはじめとして、さまざまな方にお世話になりました。この場を借りて御礼申し上げます。最初に、セッション設立のきっかけとなったKEK　CMB実験グループについて紹介します。このグループは１年３か月前にできた新しいグループで、目的は、、、、ことです。今のコアメンバーはここに書かれているとおりです。現在のメインプロジェクトはQUIETで、このあと３つトークがあります。QUIETとPOLARBeaRという二つのテレスコープが共同観測することにより、今後５年で従来の探索を１０倍改善し、原始重力波発見を目指します。もうひとつの柱が本講演の主題である科学衛星LiteBIRDで、１０年後の打ち上げを目指し、１００倍の感度改善を目標にしています。 QUIET 第一期 観測中 POLARBEAR 来年観測開始

LiteBIRDとは Lite (light) Satellite for the studies of B-mode polarization and Inflation from cosmic background Radiation Detection 2008年9月JAXA小型科学衛星WGとして承認 この図をみてわかるとおり、これまでのCMB衛星と比べてずっと小型であることが大きな特長です。

LiteBIRDワーキンググループ 計30名 福家英之、松原英雄、満田和久、吉田哲也（ISAS/JAXA） 佐藤洋一、杉田寛之（ARD/JAXA） 石野宏和、樹林敦子（岡山大理） 松村知岳（Caltech） Bill Holzapfel、Brad Johnson、Adrian Lee、Huan Tran(UC Berkeley） 大田泉（近畿大） 吉田光弘（加速器/KEK） 佐藤伸明、住澤一高、田島治、○羽澄昌史、長谷川雅也、樋口岳雄（IPNS/KEK） 鈴木敏一、都丸隆行（低温セ/KEK） 小松英一郎（UT Austin） 鵜澤佳徳、関本裕太郎、野口卓（ATC/NAOJ） 茅根裕司、服部誠（東北大理） 大谷知行（理研） ○代表 計30名 コンサルタント：　 小玉英雄（KEK)、中川貴雄（JAXA)、川邊良平（NAOJ)、Paul Richards (UC Berkeley)

科学的動機 Ｂモード CMB偏光マップは精密に観測されておらず、謎に包まれている CMB偏光測定は、原始重力波発見のベストな方法である 原始重力波の検出は、宇宙論、素粒子論双方に大きく寄与する 宇宙論：インフレーションのより定量的な検証 素粒子：超高エネルギー（LHCの一兆倍）の物理 原始重力波 CMB偏光度マップ パワースペクトル W. Hu et al. astro-ph/0210096 CMB偏光マップは精密に観測されておらず、その真の姿は謎に包まれています。 したがって、測ること自体が未知の領域の宇宙探索です。しかし、現在この測定が世界的な注目を集めているのは、なんといっても、原始重力波発見のベストな方法と目されているからです。原始重力波は、CMB偏光度マップにBモードとよばれる、パリティが負の渦パターンを生み出します。Bモードのパワースペクトルを測定することにより原始重力波を検出できれば、宇宙論、素粒子論の双方に大きく寄与します。 Ｂモード

Search for r=O(0. 01) is well motivated Search for r=O(0 Search for r=O(0.01) is well motivated Search for r=O(0.001) is comprehensive Pagano-Cooray-Melchiorri-Kamionkowski 2007 Current upper limit r = T/S (テンソル・スカラー比） 重力波の相対的な大きさ) inflation potential もっともシンプルなインフレーションモデルの枠組みでは、原始重力波の相対的な大きさを表すパラメータrは、他の宇宙論パラメータとの関係式から間接的に制限を受けます。この例では、代表的なモデルについて解析を行い、rが0.001より小さくなることはないと結論しています。もちろんより複雑なインフレーションモデルを考えることはできますが、Bモード精密測定が、インフレーション研究の次のディレクションを指し示すであろうと思われます。rの有限値が測定できれば、インフレーションのポテンシャルエネルギーを定量的に議論できるようになり、大統一を目指す素粒子論へのインパクトは莫大です。 ちなみに現在の間接的な制限は、r=0.2なので、ひとけた以上の感度改善が望まれています。

Future prospects Bモード：高まる発見への期待 LiteBIRD Planck QUIET+ PolarBeaR

EPIC(JPL) launch after 2020 LC (Low Cost ~ 600M$ !) option 6 telescopes; each with 30cmf optics 発想の基本： 大角度、小角度、両方やりたい、 でも、予算たりないなら、 小角度をあきらめて 大角度に専念しよう。 CS (Coprehensive Science) option いずれにせよ、1トンを超える 重い衛星

LiteBIRD：基本的アイディア 二つのアイディアで軽量化 LiteBIRDは 小角度はまだまだ地上で頑張ればよい（例、アレイ数１万） 徹底的に軽量化をはかれば、世界に先駆けて打ち上げられる 二つのアイディアで軽量化 従来のデザイン ＝１バンド・１テレスコープ LiteBIRDは 全てのバンドを１テレスコープで （多色焦点面） 打ち上げのオプションが増える、資金調達が早くなる。 EPICは１０００億円級のプロジェクト。 おおざっぱにいえば、LiteBIRD+Super POLARBeaRは1/10ですんでしまう。 クライオスタット クライオスタットなし

Anti-Sun direction/Spin axis Lenses Bore sight Focal plane (TES又はSTJ） Half-wave plate ADR Radiation shields JT/ST cooler head and compressor 赤外線衛星SPICAの方式 SQUIDs BUS unit H. Sugita et al. Cryogenics 46 (2006) 149

多色焦点面検出器 lenslets ~30cm 150GHz-220GHz diplexer 8-band channelizer TES Development at UC Berkeley

Details on Power and Weight Guesstimation for near-earth option Mission part Weight (kg) Power (W) Focal plane (detector,optics) 60 Mission part electronics (for detector) 20 100 Buffle, structure 40 Cryo-harness 5 Sub-Kelvin refrigerator (ADR) 2K refrigerator (JT+starling) 30 160 Total for mission part 175 280 Bus part Structure, thermal control, etc. 50 Solar panel, electronics Data acquisition, telemetry Attitude control (AC) Total for bus part 150 210 Total (mission + bus) 325 490

LiteBIRD Specifications Item Specification Lifetime > 2 years ( 5 years for the mission part) Orbit S-E L2, or near-earth sun-synchronous orbit AC < 5 arcmin (i.e. < 1/10 x beamsize) Telemetry 2Mbps Weight Mission part < 200kg, total < 400kg Power Mission part < 200W, total < 500W Cooling 100mK w/ SPICA-type JT+starling (+ He3 sorption) + ADR Focal plane Superconducting detector (TES or STJ) Sensitivity Total NET < 1mKs Frequencies 90GHz and 150GHz with a sufficient number of pixels and angular resolution (< 1 deg), + 45GHz + 300GHz as much as possible Modulation Satellite rotation + more modulation methods

まとめ r = O(10-3)の原始重力波探索はインフレーションの検証にとって決定的に重要な役割を果たす。 究極のＣＭＢ偏光Bモード精密測定には衛星実験 LiteBIRD：従来の常識を超えた軽量化で一番乗り目指す クライオスタットを廃した画期的冷凍技術 多色焦点面検出器 今後の課題 　ワーキンググループで４１個の初期課題を設定し、検討中 　ラグランジュ点か地球周回か？ 　変調・復調方式は？ 　スキャンストラテジーは？　などなど

Powerful Duo Small satellite (LiteBIRD) Ground-based superconducting CMB cameras

Backup

Experimental Cosmology Program at KEK Precision Measurements of Cosmic Microwave Background (CMB) Polarization Objective: B-mode polarization (“curl component”) Science: Inflation, primordial gravitational wave, quantum gravity Projects: 2007 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 phase I phase II QUIET PolarBeaR QUIET+PolarBeaR Combined analysis Superconducting detector R&D (w/ RIKEN etc.) Preparation for a (small) satellite Launch before 2020 (Actual plans will depend on many factors) Satellite WG (w/ JAXA etc.)

原始重力波検出

LiteBIRD 原始重力波検出感度 QUIET　+ PolarBeaR Planck 角度分解能 CMB観測プロジェクトの特色

Foreground removal Delensingも含めて r=T/S=0.01なら対処できる。r=0.001を 狙うためのスタディーが進行中（まずはPlanckの結果が重要）

Experimental sensitivity Total sensitivity Rule of thumb CMB photon density ~ 400/cm3  statistical fluctuation ~ 20/cm3 fundamental CMB photon noise ~ 60mKsec best detector available now ~ 200mKsec need for ~1000 channels “Ideal” detector: noise << CMB photon noise Example: 1000ch. 1yr  60mK/ 10000.5 / (3107)0.5 ~ 0.35nK