[论文解读] PICO: Probe of Inflation and Cosmic Origins

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

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 309被引用 75

一句话总结

PICO 是一项拟议中的太空任务，将使用 1.4 m 望远镜和 TES 热释计在 21 个频段（21–799 GHz）成像天空，以通过全天空偏振测量和前景分离来探测膨胀、轻束缚粒子与中微子、暗物质，以及宇宙结构。

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.

研究动机与目标

• 研究原初扰动的膨胀起源并通过 B 模式极化测试原初引力波。
• 约束基本粒子性质，包括中微子质量和轻雷粒子有效数 N_eff。
• 通过透镜效应、SZ 效应和星系团等手段表征宇宙结构的演化与重原子物理。
• 提供高保真度的全天空强度与极化图像，以实现对 ΛCDM 参数的稳健约束并开展银河学研究。
• 为早期星系与星系团演化研究及银河磁场/尘埃研究提供遗产型 Survey。

提出的方法

• 使用 1.4 m 望远镜与 0.1 K 冷却焦平面（12,996 个 TES 热释计探测器）在从 21 到 799 GHz 的 21 个频段进行成像偏振测量。
• 在稳定的 L2 轨道上进行 5 年内的 10 次全天空扫描，扫描模式经过优化以控制偏振测量系统的系统误差。
• 利用多波段数据进行前景分离，以区分 CMB、尘埃和同步辐射发射，并通过模拟来指导性能。
• 对透镜 B 模式信号进行去透镜处理，以提升对膨胀性 B 模式的灵敏度。
• 针对膨胀模型进行性能预测，包括 r 的检测阈值及对再加热模型的影响。
• 结合外部数据集（如 LSST）进行互补分析，以约束非高斯性和中微子性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 PICO 是否能够在 5σ 下检测对应于 r = 5 × 10^-4 的原初引力波？
• RQ2 PICO 对中微子质量总和的约束如何，与 LSST 交叉相关能力相比如何？
• RQ3 PICO 能在多大程度上约束轻雷粒子有效数 N_eff (ΔN_eff)，并探测新的轻粒子？
• RQ4 PICO 如何在 21 个波段中实现对银河前景的精度逐步提升，并将 CMB 信号与尘埃和同步辐射在各波段中分离？
• RQ5 PICO 的全天空图像如何改善对 ΛCDM 参数的测量并检验膨胀与再加热情景？

主要发现

• 如果在能量标度≥5×10^15 GeV 的膨胀发生，则 PICO 可以检测到原初引力波，对应 r = 5×10^-4（5σ）。
• 预测的 σ(r) 约为 2×10^-5，在前景控制和去透镜的作用下实现超出基线要求的灵敏度。
• 中微子质量和总和的最小值可达到 ≥4σ 的测量，在和接近 0.1 eV 时提高到 ≥7σ。
• ΔN_eff 的约束为 <0.06（2σ），使其对假设轻粒子在高温脱耦具有敏感性。
• 与 LSST 的互相关可提高对非高斯性的约束（f_NL^local），并能够对多场膨胀进行强力测试；PICO 的图像有助于约束 σ8(z) 与结构形成。
• PICO 产生深度、全天空的遗产地图，数千个星系团和强曲率引力透镜星系，以及对前景和银河科学研究所需的银河尘埃/磁场信息。