[論文レビュー] PICO: Probe of Inflation and Cosmic Origins

Tomasi, M., Marcelo A. Alvarez|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 309被引用数 75

ひとこと要約

PICOは、1.4 m望遠鏡とTESボロメータを用いて、21帯域（21–799 GHz）で天空を観測する提案された宇宙ミッションであり、全空間偏光測定と前景分離を通じて、膨張（インフレーション）、光リリクスとニュートリノ、暗黒物質、宇宙構造を探る。

ABSTRACT

The Probe of Inflation and Cosmic Origins (PICO) is an imaging polarimeter that will scan the sky for 5 years in 21 frequency bands spread between 21 and 799 GHz. It will produce full-sky surveys of intensity and polarization with a final combined-map noise level of 0.87 $\\mu$K arcmin for the required specifications, equivalent to 3300 Planck missions, and with our current best-estimate would have a noise level of 0.61 $\\mu$K arcmin (6400 Planck missions). PICO will either determine the energy scale of inflation by detecting the tensor to scalar ratio at a level $r=5\ imes 10^{-4}~(5\\sigma)$, or will rule out with more than $5\\sigma$ all inflation models for which the characteristic scale in the potential is the Planck scale. With LSST's data it could rule out all models of slow-roll inflation. PICO will detect the sum of neutrino masses at $>4\\sigma$, constrain the effective number of light particle species with $\\Delta N_{\ m eff}<0.06~(2\\sigma)$, and elucidate processes affecting the evolution of cosmic structures by measuring the optical depth to reionization with errors limited by cosmic variance and by constraining the evolution of the amplitude of linear fluctuations $\\sigma_{8}(z)$ with sub-percent accuracy. Cross-correlating PICO's map of the thermal Sunyaev-Zeldovich effect with LSST's gold sample of galaxies will precisely trace the evolution of thermal pressure with $z$. PICO's maps of the Milky Way will be used to determine the make up of galactic dust and the role of magnetic fields in star formation efficiency. With 21 full sky legacy maps in intensity and polarization, which cannot be obtained in any other way, the mission will enrich many areas of astrophysics. PICO is the only single-platform instrument with the combination of sensitivity, angular resolution, frequency bands, and control of systematic effects that can deliver this compelling, timely, and broad science.

研究の動機と目的

• 原始摂動の膨張起源を調べ、Bモード偏光を通じて原始的重力波を検出・検証する。
• ニュートリノ質量を含む基本粒子の性質と、light relicの有効個数N_effを制約する。
• レンズ効果、SZ効果、銀河団を通じた宇宙構造とバリオン物理の進化を特徴づける。
• 信号強度と偏光の高忠実度な全空マップを提供し、ΛCDMパラメータのロバストな制約と銀河科学を可能にする。
• 初期の銀河と銀河団進化研究、銀河磁場・塵研究のレガシー調査を提供する。

提案手法

• 21から799 GHzの21帯域に渡るイメージング偏光計測を、0.1 K冷却の焦点平面を備えた1.4 m望遠鏡と12,996個のTESボロメータで実施する。
• 安定したL2軌道と偏光測定系の系統制に最適化されたスキャンパターンの下で、5年にわたり10回の全空観測を行う。
• 多帯域データを用いた前景分離によりCMBとダスト・シンクロトロン放射を識別し、性能を導くシミュレーションを併用する。
• レンズ効果のBモード信号のデレンズにより、インフレーション性Bモードの感度を向上させる。
• インフレーション模型に対する性能予測、r検出閾値を含み、リハーティングモデルへの含意を示す。
• 外部データセット（例：LSST）との補完的分析を通じて非ガウシアン性とニュートリノ性質を制約する。）

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PICOは、r = 5 × 10^-4に対応する原始的重力波を5σで検出できるか？
• RQ2 PICOを用いたニュートリノ質量和の制約はどの程度か、LSSTとの横断相関能力とどう比較されるか？
• RQ3 PICOは有効光リリック種N_eff(ΔN_eff)をどの程度厳密に制約し、新たな軽粒子を探ることができるか？
• RQ4 21帯域にわたり、銀河系前景をどの程度の精度で地図化し、ダストとシンクロトロン放射からCMB信号を分離できるか？
• RQ5 PICOの全空マップはΛCDMパラメータの測定をどのように改善し、インフレーションとリハーティングのシナリオをどのように検証するか？

主な発見

• PICOは、インフレーションがエネルギー尺度 ≥5×10^15 GeVで起こる場合、r = 5×10^-4（5σ）に相当する原始的重力波を検出できる。
• 予測されたσ(r) ≈ 2×10^-5、前景制御とデレンズにより基準要件を超える感度を実現。
• ニュートリノ質量和の最小値は≥4σで測定可能で、和が約0.1 eVに近いと≥7σに上昇。
• ΔN_effは<0.06 (2σ)に制約され、仮説上の軽粒子の高温脱耦合に対する感度を可能にする。
• LSSTとの相関分析は非ガウシアン性の制約（f_NL^local）を改善し、多場インフレーションの厳格な検証を可能とする。PICOのマップはσ8(z)と構造形成の制約を強化する。
• PICOは深い全空レガシーマップ、数千の銀河団と強重力レンズ星像、観測前景と銀河科学のための詳しい銀河塵・磁場情報を提供する。）