[論文レビュー] Measurements of Degree-Scale B-mode Polarization with the BICEP/Keck Experiments at South Pole

Keck Collaboration, R.W. Aikin+77 more|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|Jul 5, 2018

Superconducting and THz Device Technology被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、南極のBICEP/Keck実験から得られた度数スケールのBモード偏光の高感度測定を提示し、宇宙背景放射（CMB）データを分析してインフレーション由来の原始的重力波を、テンソル対スカラー比 $r$ を用いて制約する。研究では原始的Bモードの有意な検出は得られず、95%信頼区間で $r < 0.06$ であり、ダストの相関性低下とforegroundモデル化が宇宙論的推論に与える影響を評価した。その結果、ダストの相関性低下を含めると $r$ の推定値が下方にバイアスされると判明し、したがってベースライン解析から除外された。

ABSTRACT

The BICEP and Keck Array experiments are a suite of small-aperture refracting telescopes observing the microwave sky from the South Pole. They target the degree-scale B-mode polarization signal imprinted in the Cosmic Microwave Background (CMB) by primordial gravitational waves. Such a measurement would shed light on the physics of the very early universe. While BICEP2 observed for the first time a B-mode signal at 150 GHz, higher frequencies from the Planck satellite showed that it could be entirely due to the polarized emission from Galactic dust, though uncertainty remained high. Keck Array has been observing the same region of the sky for several years, with an increased detector count, producing the deepest polarized CMB maps to date. New detectors at 95 GHz were installed in 2014, and at 220 GHz in 2015. These observations enable a better constraint of galactic foreground emissions, as presented here. In 2015, BICEP2 was replaced by BICEP3, a 10 times higher throughput telescope observing at 95 GHz, while Keck Array is now focusing on higher frequencies. In the near future, BICEP Array will replace Keck Array, and will allow unprecedented sensitivity to the gravitational wave signal. High resolution observations from the South Pole Telescope (SPT) will also be used to remove the lensing contribution to B-modes.

研究の動機と目的

• 南極のBICEP/Keckアレイを用いて、度数スケールのCMB Bモード偏光を高感度で測定すること。
• インフレーション由来の原始的重力波をプローブするテンソル対スカラー比 $r$ を制約すること。
• ダストスペクトルエネルギー分布（SED）および偏光角度の変動により、ダスト偏光の相関性低下が生じる可能性があることから、その尤度解析および $r$ 推定に与える影響を評価すること。
• 高周波数のKeckおよびPlanck/WMAPデータを統合することで、ダストおよび非熱的放射の制約を強化し、foregroundモデルを改善すること。
• delensingおよびforegroundモデリング技術のテストを通じて、将来の実験（Bicep ArrayおよびCMB-S4）の基盤を築くこと。

提案手法

• 95、150、220、270 GHzの多周波数観測をBICEP/Keck望遠鏡から行い、度数スケールの角サイズで天の川のCMB偏光をマッピングする。
• PlanckおよびWMAPデータを用いて校正し、スペクトルエネルギー分布（SED）および偏光角度を含むforeground成分（ダスト、非熱的放射）を尤度解析に組み込む。
• ダスト偏光を周波数依存テンプレートとしてモデル化し、スクリーン内でのダスト温度および偏光角度の差を反映する可変な相関性低下パラメータ $\Delta_d$ を導入する。
• 物理的事前分布を $r$、$A_{\mathrm{d}}$、$A_{\mathrm{sync}}$、$\Delta_d$ に適用し、ベイズ的手法を用いて事後分布を評価し、相関性低下パラメータ $\Delta_d$ を周辺化した際の $r$ の事後分布シフトを検証する。
• 異なる $\ell$-依存性の相関性低下およびforeground SEDの事前分布を想定したシミュレーションを用い、$r$ 制約のロバストネスをテストする。
• SPT-3Gの高解像度 $E$-モードマップを用いた将来のdelensingを計画し、レンズ効果に起因する $B$-モードを除去することで、原始的 $B$-モードの検出感度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 度数スケールのBモード偏光測定から、原始的テンソル対スカラー比 $r$ に対する制約は何か？
• RQ2 空間的変動によるダスト温度および偏光角度の変動に起因するダスト偏光の相関性低下は、$r$ の推定にどのように影響するか？
• RQ3 高周波数のKeck観測は、ダストとCMB $B$-モード信号の分離にどの程度寄与するか？
• RQ4 尤度モデルにダストの相関性低下を組み込むと、$r$ 推定値にバイアスが生じる可能性があるか？もしあるならば、その方向は何か？
• RQ5 Bicep ArrayおよびCMB-S4などの将来の実験は、強化されたforeground制御およびdelensingにより、原始的 $B$-モードの検出感度をどの程度向上させるか？

主な発見

• 分析から、原始的テンソル対スカラー比 $r$ に対する95%信頼区間上限は $r < 0.06$ であり、原始的重力波の有意な検出は得られなかった。
• ダストの相関性低下パラメータ $\Delta_d$ を周辺化すると、$r$ の事後分布ピークが約 $1\sigma$ 低下し、相関性低下を含めると $r$ の推定値が下方にバイアスされることが示された。
• シミュレーションで真の相関性低下がない場合（$\Delta_d = 1$）でも、$\Delta_d$ の事後分布は1にピークしないことから、ダストの周波数相関を正確にモデル化することは困難であることが明らかになった。
• 220および270 GHzの高周波数Keck観測により、ダストの振幅およびスペクトル指数の制約が著しく改善され、foregroundモデリングの不確実性が低減された。
• ダストの相関性低下をベースライン解析に組み込むと、$r$ に系統的バイアスが生じるため、物理的事前分布が存在しても最終的な宇宙論的制約から除外された。
• 将来のBicep Array（220/270 GHzで22,000個の検出器を搭載）は、Planckの353 GHzダスト感度を数日で上回ると予想され、迅速かつ高感度のforegroundマッピングと、インフレーション探索のための改善されたdelensingを可能にする。