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宇宙マイクロ波背景放射偏光測定
で探る超高エネルギー物理
1
羽澄昌史(KEK)
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平成21-25年度新学術領域研究(研究領域提案型)
背景放射で拓く宇宙創成の物理ーインフレーションからダークエイジまでー領域代表者:
羽澄昌史 (KEK・総研大)
計画研究代表者:
羽澄昌史 (KEK・総研大)
大谷知行 (理研)
松浦周二 (JAXA)
服部誠 (東北大)
小玉英雄 (KEK・総研大) 2
素粒子物理実験
テラヘルツ工学
宇宙理論
赤外線天文学
観測的宇宙論
http://cbr.kek.jp/
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インフレーションによる宇宙創成
ビッグバンの前を記述する仮説
最も有望、しかし常識では信じがたい仮説
宇宙の一様性、平坦性、構造形成を見事に説明
一瞬で “アメーバが銀河サイズになる” 宇宙の加速膨張
背後の物理法則は未知。素粒子標準理論で説明不可能
3
人類に課せられた最大の知的挑戦
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WMAP衛星
宇宙マイクロ波背景放射とはCosmic Microwave Background (CMB)
宇宙に満ちている微弱なマイクロ波(ミリ波) 宇宙誕生38万年後に生まれた「電磁波の化石」
CMB全天温度マップ
4
CMBはインフレーションを検証する最も強力な手段
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CMBによるインフレーションの検証
5
宇宙の一様性
宇宙の平坦性
宇宙構造の起源
原始重力波
1978年ノーベル物理学賞
初期CMB観測
2006年ノーベル物理学賞
COBE, WMAP,
銀河宇宙地図
BOOMERanG,
WMAP
原始重力波は、インフレーションの存在を直接証明できる、最も重要な予言
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インフレーションと自然界の究極理論
宇宙論時間
ビッグバン
インフレーション期?
137億年(現在)
10-36 秒?
原始重力波?
?秒
38万年
1016?
インフラトン?
4つの力
エネルギー(ギガ電子ボルト)
素粒子論
104
加速器
6
インフレーションエネルギー1.06 1016 (r/0.01)1/4 GeV
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7
CMBによる原始重力波検出-温度から偏光度へー
CMB偏光Bモード検出がベストな原始重力波発見法
CMB直線偏光マップCMB偏光Bモード“渦”パターン原始重力波の“刻印”
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補足
8
「湧き出し・吸い込みの成分」と「回転の成分」でも表せる
棒の長さと向きで表す
どちらも自由度2だから
E-mode B-mode
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WMAP
9
CMB観測の現状
温度のパワースペクトル
原始重力波の成分(理論予想例)
渦状の偏光成分(Bモード)
未発見
大視野角 小視野角
渦なしの偏光成分(Eモード)
発見のチャンスは大きい!
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インフレーションと超高エネルギー物理
10
インフレーションポテンシャル、V、が大きいほど強い原始重力波を放出 より明瞭なBモード
V1/4 = 1.06 1016 (r/0.01)1/4 GeV
Bモードの明瞭さの度合いを r と書くと
Bモードの発見 インフレーションエネルギーの決定
Bモード見つからず インフレーションエネルギーの上限を得る
いずれの場合も、インフレーションの背後にある量子重力理論(超弦理論など)の検証がはじまる!
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11Pagano-Cooray-Melchiorri-Kamionkowski 2007
Search for r=O(0.01) iswell motivated
Current limit
preferred phenomenologically,
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Scientific Shopping List Bモード(low l)による原始重力波の探索
重力レンズによるBモード(high l)の発見
ダークエネルギー
ニュートリノ質量
Beyond the Standard Model
重力パリティの破れ (non-zero CEB etc.)
宇宙再電離(low l)
前景放射のサイエンス
最終目標:インフレーションパラメータの決定とモデルの選別
12
(実験屋の本音:予期せぬ発見で理論家をギャフンと言わせたい)
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計画概要
QUIET
PolarBeaR
LiteBIRD
3つのプロジェクトを推進
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目標1
地上観測(QUIET、PolarBeaR)を推進し、研究期間の終わり(2014年3月)までに
r=0.01までの探索を行い、論文を発表する
14
多くのインフレーションモデルで発見が予言されている領域を初めて探索
0.22 (WMAP etc.) 0.01
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目標2
世界に先駆けて2010年代にBモード観測衛星LiteBIRD
を打ち上げるための基盤を確立*
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*「提案が認められたら実行できる」技術的・学術的基盤を確立
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KEK CMBグループ
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1.地上観測
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QUIET PolarBeaR
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• 高い感度を達成する原理
–極低温偏光計 :熱雑音の減尐
–アレイ化(偏光計の数を増やす) :統計誤差の減尐
衛星にはまだ搭載できない最新の偏光計を、今、地上観測に使用することで、衛星観測をしのぐ感度を達成できる
極低温偏光計アレイを用いた地上実験を推進
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なぜ地上観測?
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QUIET実験概要
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ストークスパラメータQとUを同時に出力
(ストークスパラメータQ)
• 宇宙マイクロ波背景放射(CMB)偏光度測定専用1.4m電波望遠鏡
• Qバンド(40GHz)とWバンド(90GHz)の観測
• チリ・アタカマ高地(標高5080m)
小型MMIC偏光計(JPL)
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QUIETコラボレーション(http://quiet.uchicago.edu)
5 countries, 12 institutes, 〜40 people 20
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QUIETコラボレーション(http://quiet.uchicago.edu)
5 countries, 12 institutes, 〜40 people 21
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QUIETコラボレーション(http://quiet.uchicago.edu)
5 countries, 12 institutes, 〜40 people
日本グループこれまでのアクティビティ
-データ解析-データ管理-データクォリティモニタ- W-band(90GHz帯)レシーバーシステム開発
(シカゴ大にて一緒に活動)
-アップグレードプランのR&D
M. HazumiT. HiguchiO. TajimaM. HasegawaY. Chinone (Tohoku univ.)
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QUIET年表• 2007年11月:KEKグループがQUIETに正式参加
• 2008年 9月:Phase-I Q-band first light !
• 2008年 6月:Phase-I Q-band観測終了
• 2008年 6月:W-band deployment
• 2009年 7月:Phase-I W-band first light !
• 2009年 7月:Phase-II 日本側予算採択(新学術領域)
• 2009年 8月:Phase-II プロポーザルをNSFに提出
• …………………………….
• 2010年 3月:Phase-I W-band観測終了(ただし2010年6月まで延長の可能性あり
• 2010 :Phase-I 解析結果発表
• 2010‐2014 :Phase-II
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QUIET telescope mount
electronics
CMB
receiver
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QUIET receiver system
25~40cm
Polarimeter on chip
Much smaller (1/10)
than before
Breakthrough for
Multi-channel
observation
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Example cutting-edge technology:
MMIC
26
3cm x 3cm
~30cm
JPL
CAPMAP
QUIET
Smaller receiver
more receivers in the focal plane
smaller statistical error
Another example of cutting-edge technologies
(antenna-coupled TES) will be seen later in this talk.
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Polarimeters on a chip (JPL)
27
~3cm
W-band module
Det. Diode
L=EX+iEY R=EX-iEY
HEMT Amp.
Phaseswitch
4kHz
180 Coupler
90 Coupler
|LR|2+Q -Q
-U|LiR|2+U
+1 1
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Qバンド観測
28
観測した主な天空(パッチ)
観測時間~3800時間
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偏光観測の例
• WMAPよりはるかに高い偏光感度29
QUIET100時間未満のデータ
WMAP公開全データ
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酸素ボンベを背負って作業
30
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Another type of observation
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Phase‐I実験Qバンド 感度と結果予想
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Eモード
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Phase‐I実験 他実験との比較
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世界最高レベルのデータ
Eモード
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QUIET phase II (1600channels)
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Phase‐II 感度予想
35
検出器性能 現状維持の場合 改良(進行中)が成功した場合
Eモード
Bモード
δr 0.018 0.005
lensing 10σ 35σ
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QUIET Phase II
日本グループのresponsibility
90GHzレシーバーシステム (1/4)
Data/analysis center (KEK, Chicago, Oslo)
DAQ
36
備考:データ解析はコラボレータ全員がチャンスを持つ
大きな責任
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PolarBeaR:日本グループの主な貢献
PolarBear IIレシーバーシステム製作
40
(PolarBear II)
90GHz+150GHz 日本グループ receiver system (0.1K)
センサー供給のみUC Berkeley、あとはすべて日本グループ
LiteBIRDとPolarBeaRの活動に最大限の重なりを持たせる = “PolarBIRD”
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41
Verde-Peiris-Jimenez 2005
Point: QUIET+PolarBeaR combined analysis will give the
best sensitivity. Essential to have evidence for r~0.01
PolarBeaR+QUIET
PolarBear
QUIET
CMB偏光Bモード
銀河系内シンクロトロン放射
銀河系内ダスト熱放射
日本グループはQUIETとPolarBeaRの両方を推進する唯一のグループとして統合解析を主導
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42
地上観測: まとめ
チリ(標高5000m)でのCMB観測
– QUIET 望遠鏡(40/90GHz)
– PolarBeaR望遠鏡(90/150/220GHz)PolarBeaR
HEMT
(20K)
超伝導転移端センサ(0.3K)
QUIETとPolarBeaRの両方を推進する唯一のグループとして統合解析を主導
QUIET プロトタイプ実験の実績を生かしQUIET偏光系システム(全体の1/4)を担当
高エネルギー加速器実験で培った技術で大規模データ取得解析システム構築を主導
PolarBear IIレシーバーシステム構築
国際協力実験での強いリーダーシップ
偏光Bモードを発見!
42
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今後5年間の計画
43
2007 08 09 10 11 12 13 14
QUIET
phase I phase II
PolarBeaR
QUIET phase I phase IIPolarBeaR
LiteBIRD
Bonn-Caltech-Columbia-JPL-KEK-Chicago-
Stanford-Manchester-Miami-Oslo-Oxford-
Princeton
Cardiff-Colorado-
Imperial College-KEK-
LAC-LBNL-McGill-
UC Berkeley-UC San Diego
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2.衛星観測
44
LiteBIRD
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LiteBIRDLite (light) Satellite for the studies of B-mode polarization and
Inflation from cosmic background Radiation Detection
– 目的: CMBのB-modeの偏光観測
– サイエンス: インフレーションのエネルギースケール、原始重力波の観測、宇宙再電離
– プラットフォーム: 小型科学衛星2008年9月JAXA小型科学衛星WGとして承認
– ~10年後の打ち上げ(2018年度目標)
45
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LiteBIRD Collaboration
• 佐藤洋一,杉田寛之 (ARD/JAXA)
• 松村知岳(Caltech) Planck, BICEP, EBEX
• 福家英之, 松原英雄,満田和久,吉田哲也(ISAS/JAXA)
• 片山伸彦,佐藤伸明,鈴木敏一,住澤一高,田島治,都丸隆行,羽澄昌史,長谷川雅也,樋口岳雄,吉田光弘 (高エネ研) QUIET, PolarBear
• 大田泉 (近畿大)
• 鵜澤佳徳,関本裕太郎,野口卓 (国立天文台)
• Julian Borrill (LBNL) Planck
• 石野宏和,樹林敦子 (岡山大理)
• 柳沼えり (総研大)
• 茅根裕司,服部誠 (東北大理) QUIET
• William L. Holzapfel,Bradley R. Johnson,Adrian T. Lee,Paul L. Richards,
Huan T. Tran (UC Berkeley) PolarBear, EPIC, BICEP, SPT
• 小松英一郎 (UT Austin) WMAP
• コンサルタント:小玉英雄(KEK)、中川貴雄(JAXA)、川邊良平(NAOJ)
宇宙電波懇談会シンポジウム 2009年9月25日46
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Science goals
• インフレーションによるB-modeスペクトル ( l 200 ) を詳細に観測。
• LensingによるB-modeスペクトル ( l 200 ) も観測でき、インフレーションによるB-modeスペクトルとの混乱を分離。
• 全天観測により宇宙再電離の時期を判定。
• 60−300GHzをカバーし前景放射(シ
ンクロトロン放射、ダスト放射)を同一実験で観測する。
EE
BB
r = 0.1
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Science goals
• インフレーションによるB-modeスペクトル ( l 200 ) を詳細に観測。
• LensingによるB-modeスペクトル ( l 200 ) も観測でき、インフレーションによるB-modeスペクトルとの混乱を分離。
• 全天観測により宇宙再電離の時期を判定。
• 60−300GHzをカバーし前景放射(シ
ンクロトロン放射、ダスト放射)を同一実験で観測する。
EE
BB
r = 0.01
EE
48
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Science goals
• インフレーションによるB-modeスペクトル ( l 200 ) を詳細に観測。
• LensingによるB-modeスペクトル ( l 200 ) も観測でき、インフレーションによるB-modeスペクトルとの混乱を分離。
• 全天観測により宇宙再電離の時期を判定。
• 60−300GHzをカバーし前景放射(シ
ンクロトロン放射、ダスト放射)を同一実験で観測する。
EE
BB
r = 0.1
Planck
LiteBIRD
ノイズスペクトル
49
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Design Concept
LiteBIRDでは
• 小型衛星に搭載するために軽量化及びコンパクト化質量 < 400kg,全長 < 1m
• 検出器の数を増やし統計誤差を下げるための広い焦点面検出器数 >1000, 直径 = 30cm, 視差30°×30°
• 前景放射を差し引くための広い帯域をカバーした光学系及び焦点面帯域 60〜300GHz (5〜1mm)
• 偏光の系統誤差を減らすためのシンプルな光学系1/2波長板変調機はサファイアを用いる。直径 < 30cm
• アメリカには多くの地上/気球実験が現在観測中
• アメリカ/ヨーロッパでもCMB偏光衛星実験を提唱大型衛星実験
全てのバンドを1テレスコープで(多色焦点面)
50
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Optics telescope
Zemaxを使った光学デザイン。
• 光軸対称の屈折望遠鏡
• 視野: 30°×30°
• Strehl ratio > 0.8 (回折限界) を平面焦点面全域@ 300GHzで実現。
• レンズ: 高密度ポリエチレン
(高密度ポリエチレンの放射耐性、酸化への影響によってはSiレンズを用いる。)
• 光学系の温度は2Kに保つ
• 1/2波長板を用いた偏光変調– 偏光角度を回転
• メインビームの系統誤差
• サイドローブをコントロールする
焦点面直径 = 30cm
HDPE 接眼レンズ
HDPE 対物レンズ
Aperture 直径 = 30 cm
1/2波長板
IR blocker
アンテナ結合型検出器
75cm
宇宙電波懇談会シンポジウム 2009年9月25日51
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Broadband coverage
• 周波数の帯域幅– 1/2波長板の変調効率
– レンズ及び1/2波長板 (n〜3のサファイア)の反射防止膜の帯域 1/2波長板
HDPE レンズ
HDPE レンズ
焦点面
1/2波長板の変調効率1/2波長板に対する7層の反射防止膜
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Nutshell
53
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Future prospects
(LiteBIRD)
54
理論予想例Pagano-Cooray-Melchiorri
-Kamionkowski 2007
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干渉計重力波探索との関係
55
CMBのほうが感度が高いので、原始重力波の発見にはCMB偏光Bモードがベスト。
CMBによる原始重力波の発見は、将来の干渉計重力波探索に定量的な大目標を与える。
CMB偏光Bモード観測は従来の光学観測と将来の重力波観測との懸け橋となる!
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プロジェクト関係図
56
LiteBIRD
QUIET
PolarBeaR
枯れた技術で早い実験開始 唯一40GHzを持つ実験
究極の原始重力波発見感度 日本主導(得意の小型化)
衛星につながる超伝導技術 大きい(3.5m)望遠鏡で重力レンズに強い
5年で~10倍改善
10年で~100倍改善
共同観測
共同開発
経験・実績
LiteBIRD
観測
観測:2008 ~ 2010, 2011 ~ 2013
2010 ~ 2013
2018 ~
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まとめ• サイエンス
• Bモード:宇宙論・超高エネルギー物理の双方でエキサイティングなテーマ
• 5年間の目標• 地上実験でr=0.01まで探索
• 世界に先駆けて打ち上げる衛星実験の基盤確立
• プロジェクト• QUIET+PolarBeaR(地上)
• LiteBIRD(衛星)
• 課題
• 超低ノイズ検出器アレイ
• 大容量データ取得と処理
• 低温技術
• 系統誤差の小さい光学系
• 解析アルゴリズム57
新しいことにチャレンジしたい方の参加を歓迎します!
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Backup Slides
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QUIET I QUIET II
Trigger rate and Event size in HEP experiments
H1, ZEUSBelle
There are a lotwe can learn fromHEP DAQ
SuperBelle
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QUIETBruce Winstein, 日下暁人
田島治、長谷川雅也ポスドク、大学院生
A01:Bモード偏光測定
A03:赤外背景放射
A02:超伝導検出器A04:前景放射
A05:理論 A00:総括班
PolarBeaR
羽澄昌史 都丸隆行、西野玄記、Adrian Lee
吉田哲也、松原英雄、満田和久、鈴木敏一、住澤一高、ポスドク、大学院生
ポスドク大学院生
LiteBIRD
研究組織図
Tomo Matsumura
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63
r<0.01という制限が得られたらlarge-fieldを棄却
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Neutrino質量と大規模構造の関係
64
Neutrinoの質量に応じて、大規模構造の滑らかさが変わる。(大規模構造のポテンシャルはMνに依存する)
大規模構造がもやっとする
質量のあるニュートリノが質量をもちだすので
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重力レンズ効果とは
6666
Deflection Field
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重力レンズ効果とCMB
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レンズ効果を受けたCMBのパワースペクトルから、大規模構造のポテンシャルを決めることができる。
Mνが決まる。
大規模構造のポテンシャルにより、パワースペクトルがゆがむ。
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ニュートリノ質量とhierarchy
ニュートリノレス二重ベータ崩壊にも大きなインパクト
特にinvertedなら発見のチャンス大発見に成功すればニュートリノはマヨラナ粒子!
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Foreground removal
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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)日本では服部さん(東北大)の「あかり」などを使う戦略があり
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90GHzレシーバーシステム
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Phase I レシーバーシステム
Phase IIはより大口径 ~400モジュール~70W@20K
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QUIET第 2 期実験の DAQ計画
• DAQシステムの特徴
–高エネルギー実験の DAQ と相似性が大きい。
偏光計の全チャンネル数は約 12,800 と膨大である。
メインデータのほかにも複数のデータ源がある。
高エネルギー実験の DAQ の特徴大きな DAQ システム:必然的にスケーラビリティを意識して設計
→ システム開発・保守・拡張が容易
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望遠鏡モニタ時計
環境モニタバイアス電圧
ADC system #1
ADC system #n
インテグレータ
DAQ マスター システムクロック系統
制御
モニタ読み出し
読み出し
読み出し制御
モニタ読み出し
ボード
ボード読み出し
ボード
ボード
ボード読み出し
ボード
…
QUIET第 2 期実験の DAQ計画
データ源読み出し
データ源読み出し
データ源読み出し
…
記録装置出力
• コンポーネント化された「データ源」の概念
• データ源インテグレータの導入
• 「DAQ マスター」による全体制御
• 独立したシステムクロック系統の導入
スケーラビリティの実現
記録装置
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要素開発: A-D 変換器
• KEKで開発した高密度でスケーラブルな A-D 変換器
子ボード 親ボード32 入力
32 入力
VME 6U サイズ
組みあがり
• 32 x 2 の差動アナログ入力コネク
タ。
• 64 個のA-D 変換チップ AD7674。
• Averaging と demodulation、および
VME バスとの通信を担う FPGASpartan-DSP XC3SD3400。
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Observing Patches
QUIET 74