[论文解读] BICEP / Keck XV: The BICEP3 CMB Polarimeter and the First Three Year Data Set

Keck Collaboration, Ade, P. A. R.+90 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2021

Superconducting and THz Device Technology参考文献 1被引用 2

一句话总结

本文介绍了位于南极的52厘米折射式望远镜BICEP3的设计、性能以及其前三年的数据集，该望远镜观测95 GHz波段的宇宙微波背景（CMB）偏振。通过使用2400个天线耦合的过渡边缘传感器（TES）热释电计数器，结合增强的光学透过率和系统误差控制，BICEP3在585平方度的范围内实现了2.8 µK-弧分的偏振图深度——这是迄今为止最深的CMB偏振图。

ABSTRACT

We report on the design and performance of the BICEP3 instrument and its first three-year data set collected from 2016 to 2018. BICEP3 is a 52cm aperture, refracting telescope designed to observe the polarization of the cosmic microwave background (CMB) on degree angular scales at 95GHz. It started science observation at the South Pole in 2016 with 2400 antenna-coupled transition-edge sensor (TES) bolometers. The receiver first demonstrated new technologies such as large-diameter alumina optics, Zotefoam infrared filters, and flux-activated SQUIDs, allowing $\sim 10 imes$ higher optical throughput compared to the Keck design. BICEP3 achieved instrument noise-equivalent temperatures of 9.2, 6.8 and 7.1$\mu ext{K}_{ ext{CMB}}\sqrt{ ext{s}}$ and reached Stokes $Q$ and $U$ map depths of 5.9, 4.4 and 4.4$\mu$K-arcmin in 2016, 2017 and 2018, respectively. The combined three-year data set achieved a polarization map depth of 2.8$\mu$K-arcmin over an effective area of 585 square degrees, which is the deepest CMB polarization map made to date at 95GHz.

研究动机与目标

• 主要目标是测量CMB中度尺度的B模式偏振，以探测宇宙暴胀产生的原初引力波。
• 开发并部署一种高Throughput、低噪声的偏振计，采用先进的光学和探测器技术。
• 最大限度减少系统误差和前景污染，特别是银河系尘埃的影响，以分离出微弱的原初信号。
• 为宇宙学分析提供基础数据集，包括对张量标量比r的约束。
• 通过高灵敏度偏振图，为未来研究宇宙双折射、尘埃特性及引力透镜效应提供支持。

提出的方法

• BICEP3采用52厘米口径的折射式望远镜，配备大直径氧化铝光学元件和Zotefoam红外滤光片，以最大化光学透过率。
• 使用2400个天线耦合的过渡边缘传感器（TES）热释电计数器，在95 GHz波段实现低噪声的CMB偏振测量。
• 仪器采用磁通激活的SQUID和专用校准活动，以控制系统误差并维持低光学负载。
• 数据在南极于2016至2018年三年间采集，利用干燥、寒冷且黑暗的环境条件，实现稳定、低噪声的观测。
• 通过自助法检验和噪声模拟进行系统误差检查，以验证信号的一致性和可靠性。
• 最终图深度基于各年度季节的共相位、共叠加数据推导得出，每一年度的有效面积和灵敏度均独立计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 BICEP3在95 GHz波段运行的前三年中，其灵敏度和噪声性能如何？
• RQ2 与以往的Keck仪器相比，该仪器的光学透过率和探测器设计在灵敏度和系统误差控制方面有何优势？
• RQ3 基于三年数据集生成的最终CMB偏振图的深度是多少？
• RQ4 系统误差检查（如自助法检验）在多大程度上验证了测量到的B模式信号的稳健性？
• RQ5 利用此数据集，未来在张量标量比r的约束方面还有多大改进潜力？

主要发现

• BICEP3在585平方度的有效面积上实现了2.8 µK-弧分的偏振图深度，是迄今95 GHz波段最深的CMB偏振图。
• 2016年、2017年和2018年的噪声等效温度分别为9.2、6.8和7.1 µKCMB√s。
• 2016年、2017年和2018年各年度的图深度分别为5.9、4.4和4.4 µK-弧分，有效面积分别为569.2、588.1和584.7 deg²。
• 对数据进行的自助法检验显示PTE分布均匀，表明在统计灵敏度水平下未发现系统误差的证据。
• 三年数据集使宇宙学分析对张量标量比r的灵敏度达到σ(r) = 0.009。
• 预计2019至2021年间的额外观测将进一步提升数据质量，使95 GHz功率谱的噪声降低超过√2倍。