[论文解读] CMB-S4 Science Book, First Edition

Kevork N. Abazajian, Peter Adshead+84 more|ORCA Online Research @Cardiff (Cardiff University)|Oct 10, 2016

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 16被引用 333

一句话总结

本文概述了 Stage-4 地面 CMB 实验 (CMB-S4) 的科学目标、设计考量和预测能力，包括其在研究暴胀、中微子、轻遗物、暗物质、暗能量和引力透镜方面的潜力。

ABSTRACT

This book lays out the scientific goals to be addressed by the next-generation ground-based cosmic microwave background experiment, CMB-S4, envisioned to consist of dedicated telescopes at the South Pole, the high Chilean Atacama plateau and possibly a northern hemisphere site, all equipped with new superconducting cameras. CMB-S4 will dramatically advance cosmological studies by crossing critical thresholds in the search for the B-mode polarization signature of primordial gravitational waves, in the determination of the number and masses of the neutrinos, in the search for evidence of new light relics, in constraining the nature of dark energy, and in testing general relativity on large scales.

研究动机与目标

• 在暴胀、中微子、轻遗物、暗物质和暗能量等方面定义 CMB-S4 的科学目标。
• 描述实现科学目标所需的仪器设计考虑因素和所需灵敏度。
• 突出实现高保真 CMB-S4 数据集所需的数据分析、模拟和预测策略。
• 解释与其他观测计划的协同作用，以及从 Stage-3 向 Stage-4 运行的过渡。

提出的方法

• 提出一种草案式仪器配置，使用放大、多带超导探测阵列。
• 概述高通量毫米波望远镜与光学组件，并对系统性污染进行严格控制。
• 强调对前景的全面内部表征，以及用于预测的大量宇宙学模拟。
• 讨论数据分析流程、天空与仪器模拟，以及超越 Planck 级工作量的计算需求。
• 倡导整合 Stage-3 的经验教训，以优化探测器分布和频率覆盖。

实验结果

研究问题

• RQ1 可实现的张量到标量比 r 的约束是多少，探测到它将对暴胀物理学意味着什么？
• RQ2 CMB-S4 能以多高的精度测量 Neff 和中微子质量和的总和，与其他探针相比如何？
• RQ3 CMB-S4 能否通过透镜效应、簇丰度和增长历史来区分暗能量或修正引力模型？
• RQ4 引力透镜对 CMB 原初 B 模的影响是什么，消透（delensing）如何改善对暴胀时期推断？
• RQ5 通过 CMB 测量检测或约束轻遗物、重暗物质候选者和轴子（axions）的前景如何？

主要发现

• CMB-S4 可在 95% CL 下将 r 的上限定为 0.002，较当前极限提升 >10 倍。
• 保守的 CMB-S4 配置可达到 σ(Neff) ≈ 0.02–0.03，使其对轻遗物的最小贡献具备灵敏度。
• 预计 CMB-S4 将以亚个百分点级别的精度测量膨胀率 H 与聚类幅度 σ8，尤其是与其他数据集结合时。
• 该项目将对大面积天空实现高保真 CMB 引力透镜测绘，将 Planck 级透镜信噪比提升一个数量级以上，并使其他探针的标定成为可能。
• CMB-S4 将通过透镜、簇计数和速度场，对暗能量和广义相对论提供有力检验，与 LSST、DESI、Euclid 和 WFIRST 协同。