[論文レビュー] The Simons Observatory: Astro2020 Decadal Project Whitepaper

The Simons Observatory Collaboration, Maximilian H. Abitbol+281 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2019

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 35被引用数 84

ひとこと要約

Simons Observatory（SO）は、チリにある地上ベースのCMB実験で、3台のSmall Aperture Telescopesと1台のLarge Aperture Telescopeを備え、原始的Bモード、ニュートリノの性質、およびΛCDMを超える物理を測定することを目指しており、2022年に開始予定の5年間のサーベイと強化アップグレード経路を有する。

ABSTRACT

The Simons Observatory (SO) is a ground-based cosmic microwave background (CMB) experiment sited on Cerro Toco in the Atacama Desert in Chile that promises to provide breakthrough discoveries in fundamental physics, cosmology, and astrophysics. Supported by the Simons Foundation, the Heising-Simons Foundation, and with contributions from collaborating institutions, SO will see first light in 2021 and start a five year survey in 2022. SO has 287 collaborators from 12 countries and 53 institutions, including 85 students and 90 postdocs. The SO experiment in its currently funded form ('SO-Nominal') consists of three 0.4 m Small Aperture Telescopes (SATs) and one 6 m Large Aperture Telescope (LAT). Optimized for minimizing systematic errors in polarization measurements at large angular scales, the SATs will perform a deep, degree-scale survey of 10% of the sky to search for the signature of primordial gravitational waves. The LAT will survey 40% of the sky with arc-minute resolution. These observations will measure (or limit) the sum of neutrino masses, search for light relics, measure the early behavior of Dark Energy, and refine our understanding of the intergalactic medium, clusters and the role of feedback in galaxy formation. With up to ten times the sensitivity and five times the angular resolution of the Planck satellite, and roughly an order of magnitude increase in mapping speed over currently operating ("Stage 3") experiments, SO will measure the CMB temperature and polarization fluctuations to exquisite precision in six frequency bands from 27 to 280 GHz. SO will rapidly advance CMB science while informing the design of future observatories such as CMB-S4.

研究の動機と目的

• 高感度の多周波CMB測定を通じて、基礎物理、宇宙論、天体物理学を前進させるための5年間のSOサーベイを推進する。
• SO-Nominal構成、科学目的、および科学的リターンを最大化するための計画アップグレード（SO-Enhanced）を説明する。
• 高精度偏光測定を可能にする技術設計、検出器/リードアウトの革新、およびサイトのロジスティクスを概説する。
• CMB-S4およびより広範なマルチウェーブ長宇宙論プログラムへの道筋におけるSOの位置づけ。

提案手法

• Cerro Tocoに3基の0.4 m Small Aperture Telescopes (SATs)と1基の6 m Large Aperture Telescope (LAT)を設置し、27〜280 GHzの6つの周波数バンドを使用する。
• UFMs全体で30,000個の検出器をマイクロウェーブ多重化（ピクセルあたり4個のボロメータ、2バンド、2偏光）で使用し、低温共振器（4–8 GHz）を介して読み出す。
• SATsに連続的回転する半波板を実装し、偏光変調と系統誤差の制御を行う。
• SAT/LATデータをPlanck、LSST、DESI、LiteBIRDなどの外部データセットと組み合わせて、r、N_eff、Σmν、その他の宇宙論的パラメータを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SO-Nominalで達成可能なテンソル比rの感度はどの程度で、前方汚染の除去がそれにどのように影響するか？
• RQ2 SOはNeffとΣmνをどれだけ正確に測定できるか、そしてニュートリノ物理学と標準模型を超えるシナリオへの影響は何か？
• RQ3 一次/二次のCMBスペクトル、重力レンズ、kSZを通じて、SOはインフレーションとダークエネルギー模型にどんな制約を提供できるか？
• RQ4 LSST/DESIおよび将来の調査と組み合わせたSOデータは、銀河進化、フィードバック、再電離の持続期間をどのように知らせるか？
• RQ5 SO-Enhancedアップグレードの潜在的な科学的利得はどの程度で、CMB-S4の目標とどのように関連するか？

主な発見

• SO-Nominalは、r ≥ 0.01の場合、原始的Bモードの3–5σ測定を狙い、現在の制限を少なくとも1桁向上させる。
• SOはNeffとΣmνを0近傍でσ(r) ≈ 0.003を測定することを目指し、前方汚染の除去とデリensingでより強い制約を得る。
• nsの現在の不確かさを半減させ、σ(ns) ≈ 0.002を達成し、k=0.2 Mpc−1でサブパーセントの振幅測定を達成する。
• σ(Neff) ≈ 0.07 (0.05 with enhancements) and σ(Σmν) ≈ 0.04 (0.03 with enhancements) eV と見込まれ、ニュートリノ質量階層の区別を可能にする。
• SO-Enhanced（LAT充填、+3 SATs、+5年）はレンズ効果/SZ収量を増加させ、4σのニュートリノ質量検出と、デリensing仮定に応じて σ(r) ≈ 0.001–0.0009 の可能性を提供する。
• SOはCMB-S4への道を提供し、技術、解析パイプライン、協働を共有し、系統的なシナジーと費用対効果の高いアップグレードをもたらす。