[논문 리뷰] PICO: Probe of Inflation and Cosmic Origins

Tomasi, M., Marcelo A. Alvarez|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 26.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 309인용 수 75

한 줄 요약

PICO는 21개 주파수 대역(21–799 GHz)에서 이미지를 촬영하고 1.4 m 망원경과 TES 볼로미터를 이용해 인플레이션, 빛의 잔재 및 중성미립자, 암흑 물질, 그리고 전방향 천문학적 구조 분해를 통해 은하 전체의 편광을 측정하는 제안된 우주 임무이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초기 perturbations의 인플레이션 기원을 조사하고 B-모드 편광을 통해 원시 중력파를 테스트한다.
• 중성미자 질량을 포함한 빛 잔재의 유효 수 N_eff를 제약한다.
• 렌싱, SZ 효과, 은하 클러스터를 통해 우주 구조와 바리아닉 물리의 진화를 특징화한다.
• 강건한 ΛCDM 매개변수 제약과 은하계 과학을 가능하게 하는 고충실도 전체 하늘 강도와 편광 맵을 제공한다.
• 초기 은하 및 클러스터 진화 연구와 은하 자기장/먼지 연구를 위한 레거시 설문조사를 제공한다.

제안 방법

• 1.4 m 망원경과 0.1 K 냉각된 초점면(12,996 TES 볼로미터)을 사용하여 21에서 799 GHz에 이르는 21 주파수 대역 전역의 이미징 편광 측정을 수행한다.
• 5년 간 안정적인 L2 궤도에서 전하늘 10회 조사하고, 편광계 시스템계통 제어를 최적화한 스캐닝 패턴을 채택한다.
• 다중 대역 데이터를 사용해 CMB를 먼지 및 싱크로tron 방출로부터 구분하고, 시뮬레이션이 성능을 이끈다.
• 인플레이션 B-모드에 대한 감도를 높이기 위해 렌싱 B-모드 신호의 델렌싱을 수행한다.
• 인플레이션 모델에 대한 성능 예측, r 검출 임계값 및 재가열 모델에 대한 시사점을 포함한다.
• 외부 데이터셋(예: LSST)와의 보완 분석을 통해 비가우시안성 및 중성미자 특성을 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PICO가 r = 5 × 10^-4에 상응하는 원시 중력파를 5σ에서 검출할 수 있는가?
• RQ2 PICO에서 중성미자 질량의 합에 대한 제약은 어떠하며, 이는 LSST 크로스상관 능력과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 PICO가 빛 잔재 종의 유효 수 N_eff(ΔN_eff)를 얼마나 잘 제약하고 새로운 빛 입자를 탐색할 수 있는가?
• RQ4 21개 대역에 걸쳐 은하 은향 전방향을 얼마나 정밀하게 맵하고 CMB 신호를 먼지 및 싱크로tron 방출로부터 분리할 수 있는가?
• RQ5 PICO의 전체 하늘 맵이 ΛCDM 매개변수의 측정과 인플레이션 및 재가열 시나리오의 테스트를 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• PICO는 인플레이션이 에너지 척도 ≥5×10^15 GeV에서 발생하는 경우 원시 중력파를 검출할 수 있으며, 이는 r = 5×10^-4 (5σ)에 해당한다.
• 예측된 σ(r) ≈ 2×10^-5이며, 전방향 제어와 델렌싱으로 기본 요구사항을 넘어서는 감도가 가능하다.
• 중성미자 질량 합의 최소값은 ≥4σ로 측정될 수 있으며 합이 약 0.1 eV에 가까울 때는 ≥7σ로 증가한다.
• ΔN_eff는 <0.06(2σ)로 제약되며, 가설적 빛 입자의 고온 탈가짐에 대한 민감도를 가능하게 한다.
• LSST와의 상관 분석은 비가우시안성 제약(f_NL^local)을 개선하고 다중필드 인플레이션에 대한 강력한 테스트를 가능하게 한다; PICO 맵은 σ8(z) 및 구조 형성에 대한 제약을 강화한다.
• PICO는 심층적이고 전체 하늘의 레거시 맵, 수천 개의 클러스터 및 강하게 중첩 렌즈링 은하, 연구 대상 전방향의 은하성 먼지/자기장 정보 및 은하 과학을 위한 상세한 데이터를 제공한다.