[論文レビュー] Cosmic birefringence tomography and calibration-independence with reionization signals in the CMB

Blake D. Sherwin, Toshiya Namikawa|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、再電離（z ~ 8）と再結合（z ~ 1100）におけるCMB信号の偏光回転角の差分を用いて、キャリブレーションに依存しない宇宙のバイレフレクションを測定する新規な手法を提案する。パリティ破れの物理（例：アキソン様粒子）の赤方偏移依存性を利用することで、機器の角度キャリブレーション誤差が相殺され、バイレフレクションの赤方偏移起源に関するトモグラフィー的制約が可能となり、将来的なミッション（例：LiteBIRD）で約0.05°の感度を予想する。

ABSTRACT

The search for cosmic polarization rotation or birefringence in the CMB is well-motivated because it can provide powerful constraints on parity-violating new physics, such as axion-like particles. In this paper we point out that since the CMB polarization is produced at two very different redshifts - it is generated at both reionization and recombination - new parity-violating physics can generically rotate the polarization signals from these different sources by different amounts. We explore two implications of this. First, measurements of CMB birefringence are challenging because the effect is degenerate with a miscalibration of CMB polarization angles; however, by taking the difference of the reionization and recombination birefringence angles (measured from different CMB angular scales), we can obtain a cosmological signal that is immune to instrumental angle miscalibration. Second, we note that the combination with other methods for probing birefringence can give tomographic information, constraining the redshift origin of any physics producing birefringence. We forecast that the difference of the reionization and recombination birefringence angles can be competitively determined to within ~0.05 degrees for future CMB satellites such as LiteBIRD. Although much further work is needed, we argue that foreground mitigation for this measurement should be less challenging than for inflationary B-mode searches on similar scales due to larger signals and lower foregrounds.

研究の動機と目的

• CMB偏光測定におけるバイレフレクションと機器の角度キャリブレーション誤差のデゲネラシーを解消すること。
• 異なる赤方偏移におけるCMB偏光源を活用することで、キャリブレーション誤差に依存しない宇宙論的バイレフレクション信号の分離手法を開発すること。
• 再電離と再結合におけるバイレフレクションの比較により、パリティ破れの物理の赤方偏移的進化に関するトモグラフィー的情報を提供すること。
• 将来的なCMB実験（例：LiteBIRD）が再電離と再結合におけるバイレフレクション角の差にどの程度感度を持つのかを予測すること。
• 前景汚染および残存系統誤差に対するこの手法の頑健性を評価すること。

提案手法

• 再電離と再結合は異なる赤方偏移でCMB偏光を生成するため、もしその背後にある物理（例：アキソン様粒子）が時間的に変化する場合、バイレフレクション角が異なっている可能性があることを利用している。
• 低・高lモーメントでそれぞれEBクロスパワー スペクトルを用いて、バイレフレクション角の差Δβ = β_reio − β_recombを測定する。
• 機器の角度誤差が差分において相殺されるため、キャリブレーションに依存しない測定が可能になる（ただし、両成分に同一の周波数クリーニング重みが適用されている限り）。
• LiteBIRDに類似したノイズモデルに基づく予測を用い、成分分離からの残存前景パワー（例：Errard et al. 2016）を組み込んで、現実的な感度を評価する。
• 前景がEBスペクトルに与える影響はBBスペクトルに比べて小さいと想定されるため、前景低減は標準的なBモード探索よりも困難でない可能性がある。
• 低lおよび高l偏光解析の両方に同一の周波数クリーニング戦略が適用されることを仮定しており、これにより誤差相殺が維持される。

Figure 1: Constraints on the birefringence angle difference as a function of CMB polarization noise level, with different delensing efficiencies assumed (we also assume $f_{\mathrm{sky}}=0.7$ .) Solid lines of different colours assume different constant delensing efficiencies; the dotted line labell

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再電離と再結合におけるCMB信号のバイレフレクション角の差分が、キャリブレーションに依存しない測定に利用可能かどうか。
• RQ2 アキソン様粒子のようなパリティ破れ場の赤方偏移依存性が、偏光回転角の差分として測定可能かどうか。
• RQ3 前景の残存成分がΔβ測定の感度にどの程度悪影響を及ぼし、依然として競争力を持つかどうか。
• RQ4 この手法が、バイレフレクションの原因となる新物理の赤方偏移起源に関するトモグラフィー的情報を提供可能かどうか。
• RQ5 周波数依存の機器誤差などの系統誤差に対して、Δβ測定のキャリブレーション独立性がどの程度頑健か。

主な発見

• Δβは、再電離と再結合の測定を差し引く際の共通モード誤差の相殺により、機器の角度キャリブレーション誤差に感受性がない。
• z ~ 8とz ~ 1100におけるバイレフレクションの比較により、パリティ破れの物理（例：アキソン様粒子）の赤方偏移的進化に関するトモグラフィー的制約が可能になる。
• 将来的なCMB実験（例：LiteBIRD）では、Δβの感度がσ(Δβ) ≈ 0.05度に達すると予想される。
• 成分分離からの現実的な前景残存成分を組み込んでも、制約は僅かに劣化し、σ(Δβ) ≈ 0.09度にまで低下するが、依然として競争力を持つ。
• 関連スケールにおける固有信号が大きく、前景汚染が小さいため、Δβ測定のSN比は標準的なBモード探索よりも高くなる見込みである。
• 低lおよび高l偏光解析に同一の周波数クリーニング重みが適用されるという仮定のもとで、この手法は誤差相殺を維持するため、頑健である。

Figure 2: Variation of the constraints in Figure 1 with the minimum multipole used in the analysis and with the presence of foreground residuals. Solid lines assume lensing B-power has been reduced by a factor 0.3, dotted lines assume no delensing (and both neglect foreground residuals). Purple colo