[论文解读] Detecting the B-mode Polarisation of the CMB with Clover

Christopher E. North, Bradley R. Johnson+42 more|ArXiv.org|May 23, 2008

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 4

一句话总结

Cℓover 是一项基于地面的 CMB 实验，旨在通过在三个频段（97、150、225 GHz）中冷却至 100 mK 的 192 个 TES 热释电计数器检测原初 B 模极化。通过采用旋转的四分之一波片和紧凑型近场天线，实现了背景极限灵敏度，从而实现对张量-标量比 r = 0.026 的 3σ 约束，探测能量尺度接近 10¹⁶ GeV 的暴胀过程。

ABSTRACT

We describe the objectives, design and predicted performance of Clover, which is a ground-based experiment to measure the faint ``B-mode'' polarisation pattern in the cosmic microwave background (CMB). To achieve this goal, clover will make polarimetric observations of approximately 1000 deg^2 of the sky in spectral bands centred on 97, 150 and 225 GHz. The observations will be made with a two-mirror compact range antenna fed by profiled corrugated horns. The telescope beam sizes for each band are 7.5, 5.5 and 5.5 arcmin, respectively. The polarisation of the sky will be measured with a rotating half-wave plate and stationary analyser, which will be an orthomode transducer. The sky coverage combined with the angular resolution will allow us to measure the angular power spectra between 20 < l < 1000. Each frequency band will employ 192 single polarisation, photon noise limited TES bolometers cooled to 100 mK. The background-limited sensitivity of these detector arrays will allow us to constrain the tensor-to-scalar ratio to 0.026 at 3sigma, assuming any polarised foreground signals can be subtracted with minimal degradation to the 150 GHz sensitivity. Systematic errors will be mitigated by modulating the polarisation of the sky signals with the rotating half-wave plate, fast azimuth scans and periodic telescope rotations about its boresight. The three spectral bands will be divided into two separate but nearly identical instruments - one for 97 GHz and another for 150 and 225 GHz. The two instruments will be sited on identical three-axis mounts in the Atacama Desert in Chile near Pampa la Bola. Observations are expected to begin in late 2009.

研究动机与目标

• 检测宇宙暴胀期间由原初引力波留下的微弱原初 B 模极化信号。
• 在 3σ 水平下将张量-标量比 r 的约束降低至 0.026，相比当前限制提高 20 倍。
• 测量由大尺度结构引起的引力透镜效应导致的 B 模信号。
• 表征多个频段中极化的银河系前景，如同步辐射和尘埃辐射。
• 通过调制技术（包括快速方位扫描和光轴旋转）减轻系统误差。

提出的方法

• 该实验使用两个相同且共装的望远镜，配备双镜紧凑近场天线和轮廓化波导喇叭，为 192 个单极化 TES 热释电计数器提供信号，这些计数器被冷却至 100 mK。
• 通过旋转的非色散四分之一波片（AHWP）和固定的正交模转换器（OMT）测量极化，实现对天空信号的调制，以分离真实极化与系统误差。
• 97 GHz 仪器和 150/225 GHz 仪器位于智利帕尔马拉波拉，海拔 4.9 km，以实现最佳大气透射率。
• 探测器阵列通过时域低温多路复用技术读出，采用 SQUID 多路复用器，从而高效读取全部 576 个 TES 热释电计数器的信号。
• 通过在 ~5 Hz 频率下连续旋转 AHWP、执行快速方位扫描以及周期性地绕望远镜光轴旋转，抑制系统误差。
• 在 97、150 和 225 GHz 频率下，角分辨率为 7.5、5.5 和 5.5 角分，可测量 20 < ℓ < 1000 范围内的角功率谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于地面的 CMB 实验能否实现检测张量-标量比 r = 0.026 的原初 B 模信号所需的灵敏度？
• RQ2 使用旋转四分之一波片和望远镜光轴调制技术，能否有效抑制仪器系统误差？
• RQ3 引力透镜效应和银河系前景（尘埃和同步辐射）对观测到的 B 模功率谱有何贡献？
• RQ4 在 97、150 和 225 GHz 频段之间利用频谱优势，能否有效分离 CMB 与前景信号？
• RQ5 大气和仪器噪声对最终 B 模信号灵敏度的影响如何？

主要发现

• Cℓover 在所有三个频段均实现了背景极限灵敏度，从而实现了对张量-标量比 r = 0.026 的 3σ 约束。
• 在 97、150 和 225 GHz 频率下，角分辨率为 7.5、5.5 和 5.5 角分，可测量 20 < ℓ < 1000 范围内的 CMB 角功率谱。
• 采用具有宽带抗反射涂层的非色散四分之一波片（AHWP），确保了在各频段内高透射率和低伪极化。
• 通过在 ~5 Hz 频率下持续旋转 AHWP、快速方位扫描以及周期性光轴旋转，有效抑制了系统误差，降低了对仪器极化与增益变化的敏感性。
• 焦面设计采用微带线耦合 TES 热释电计数器和单片集成 OMT，实现了高保真度极化测量，交叉极化低于 -38 dB。
• 该实验预计于 2009 年底开始 97 GHz 观测，150/225 GHz 观测预计于 2010 年中开始，覆盖约 1000 平方度的天空区域。