[논문 리뷰] Cosmic birefringence tomography and calibration-independence with reionization signals in the CMB

Blake D. Sherwin, Toshiya Namikawa|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 20.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 재결합(z ~ 1100)과 재이온화(z ~ 8) 시기의 CMB 신호 간 편광 회전 각도의 차이를 이용하여 校정에 종속되지 않는 우주적 이광택 측정 방법을 제안한다. 파라미터 위반 물리학(예: 아키온 유사 입자)의 적색편이 의존성 응답을 활용함으로써, 장치의 각도 校정 오차가 상쇄되고, 이로 인해 이광택의 적색편이 기원에 대한 톰그래픽 제약 조건을 가능하게 하며, 향후 미션인 LiteBIRD와 같은 것들에 대해 약 0.05°의 감도를 예측한다.

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.

연구 동기 및 목표

• CMB 편광 측정에서 우주적 이광택과 장치의 각도 校정 오차 간의 딜레마를 해결하기 위해.
• 다른 적색편이에서 발생하는 CMB 편광을 활용하여 校정 오차에 영향을 받지 않는 천체물리적 이광택 신호를 고립시키는 방법을 개발하기 위해.
• 재이온화와 재결합 시기의 이광택을 비교하여, 파라미터 위반 물리학의 적색편이 진화에 대한 톰그래픽 정보를 제공하기 위해.
• LiteBIRD와 같은 향후 CMB 실험의 재이온화와 재결합 시기의 이광택 각도 차이에 대한 감도를 예측하기 위해.
• 이 방법이 잔여 시스템적 오차와 간섭물에 대해 얼마나 강건한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 재이온화와 재결합 시기의 CMB 편광은 서로 다른 적색편이에서 발생하므로, 기저 물리학(예: 아키온 유사 입자)이 시간에 따라 변화한다면 이광택 각도도 다를 수 있음을 활용한다.
• 저다중극수와 고다중극수에서 각각 EB 교차스펙트럼을 사용하여 이광택 각도의 차이 Δβ = β_reio − β_recomb 를 측정한다.
• 장치의 각도 오차는 차이에서 상쇄되므로, 동일한 주파수 청소 가중치가 양쪽 구성 요소에 적용되는 한 측정이 校정에 종속되지 않는다.
• LiteBIRD 유사 노이즈 모델 기반 예측을 사용하며, 구성 요소 분離에서 발생하는 잔여 간섭물 전력(예: Errard et al. 2016)을 포함하여 현실적인 감도를 평가한다.
• 간섭물이 BB 스펙트럼보다 EB 스펙트럼에 덜 영향을 준다는 가정을 하며, 이는 전통적인 B-모드 탐색과 비교해 간섭물 보정이 덜 어려울 수 있음을 시사한다.
• 이 방법은 저다중극수와 고다중극수 편광 분석에 동일한 주파수 청소 전략을 적용함으로써 오차 상쇄를 유지하는 데 의존한다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재이온화와 재결합 CMB 신호 간의 이광택 각도 차이가 校정에 종속되지 않는 측정에 사용될 수 있는가?
• RQ2 파라미터 위반 장(예: 아키온 유사 입자)의 적색편이 의존성 응답이 편광 회전 각도의 측정 가능한 차이를 유도하는가?
• RQ3 잔여 간섭물이 Δβ 측정의 감도를 어느 정도 떨어뜨리며, 여전히 경쟁력 있는가?
• RQ4 이 방법이 이광택의 원인인 새로운 물리학의 적색편이 기원에 대해 톰그래픽 정보를 제공할 수 있는가?
• RQ5 주파수 의존성 장치 오차와 같은 시스템적 오차에 대해 Δβ 측정의 校정 독립성은 얼마나 강건한가?

주요 결과

• 재이온화와 재결합 측정치를 빼는 과정에서 공통 모드 오차가 상쇄되므로, Δβ는 장치의 각도 校정 오차에 민감하지 않다.
• z ~ 8과 z ~ 1100에서의 이광택을 비교함으로써, 아키온 유사 입자와 같은 파라미터 위반 물리학의 적색편이 진화에 대한 톰그래픽 제약 조건을 가능하게 한다.
• LiteBIRD와 같은 향후 CMB 실험에 대해, 이 방법은 Δβ에 대해 감도 σ(Δβ) ≈ 0.05 도를 예측한다.
• 구성 요소 분리에서 유래한 현실적인 간섭물 잔여물을 포함한 후에도 제약 조건의 열화가 미미하여, σ(Δβ) ≈ 0.09 도 수준에 머무르며 여전히 경쟁력이 있다.
• 관련 스케일에서 더 큰 본질적 신호와 더 낮은 간섭물 오염으로 인해, Δβ 측정의 신호 대 잡음비는 전통적인 B-모드 탐색보다 높을 것으로 예상된다.
• 저다중극수와 고다중극수 편광 분석에 동일한 주파수 청소 가중치를 적용한다는 가정 하에, 오차 상쇄가 유지되어 이 방법은 강건하다.

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