[论文解读] Report of the Topical Group on Cosmic Frontier 5 Dark Energy and Cosmic Acceleration: Cosmic Dawn and Before for Snowmass 2021

C. L. Chang, Laura Newburgh+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用 7

一句话总结

本Snowmass 2021报告概述了一项2025至2035年间的变革性研究计划，旨在通过精确测量早期宇宙遗迹（主要为CMB-S4、升级版LIGO及Stage-V光谱调查）探测暴胀与新物理。该计划旨在探测原初引力波（r < 0.001）、约束非高斯性，并搜寻宇宙中微子背景，同时在理论、数据分析及下一代技术开发方面取得关键进展。

ABSTRACT

This report summarizes the envisioned research activities as gathered from the Snowmass 2021 CF5 working group concerning Dark Energy and Cosmic Acceleration: Cosmic Dawn and Before. The scientific goals are to study inflation and to search for new physics through precision measurements of relic radiation from the early universe. The envisioned research activities for this decade (2025-35) are constructing and operating major facilities and developing critical enabling capabilities. The major facilities for this decade are the CMB-S4 project, a new Stage-V spectroscopic survey facility, and existing gravitational wave observatories. Enabling capabilities include aligning and investing in theory, computation and model building, and investing in new technologies needed for early universe studies in the following decade (2035+).

研究动机与目标

• 通过原初引力波与非高斯性的精确测量，探究暴胀的能量尺度与动力学。
• 通过探测遗迹辐射（如宇宙中微子背景或轴子）搜寻标准模型之外的新物理。
• 通过建设并运行下一代设施，推进理论与技术基础，实现早期宇宙宇宙学的变革性发现。
• 通过改进建模与分析技术，克服CMB与引力波数据中的前景污染与天体物理混淆。
• 通过开发未来CMB、引力波与强度映射调查所需的关键技术，为2035年及以后的时代做好准备。

提出的方法

• 建设并运行CMB-S4实验，实现亚微开尔文灵敏度，并以前所未有的角分辨率与天空覆盖范围绘制CMB图。
• 升级并运行现有的引力波观测站（LIGO、Virgo、KAGRA），并为第三代探测器（爱因斯坦望远镜、宇宙探索者）做好准备，以探测随机引力波背景。
• 开发并运行Stage-V光谱调查设施，实现三维大尺度结构测量，并超越二维CMB限制，探测原初非高斯性。
• 实施先进的数据分析流程，对天体物理前景（包括引力波数据中重叠的双星并合信号）进行建模与消除。
• 部署小型规模仪器，以成熟未来CMB探测器、引力波观测站（如CBE）及21厘米/mm波强度映射调查所需的技术。
• 将理论建模、宇宙信号模拟与可观测现象预测整合进与主要设施协调一致的综合计划中。

实验结果

研究问题

• RQ1 原初引力波的振幅（r）是多少？CMB-S4能否将其测量或约束至r < 0.001？
• RQ2 原初功率谱的形状如何？偏离尺度不变性或非高斯特征能否揭示暴胀的动力学？
• RQ3 能否通过CMB各向异性的印记或其他遗迹辐射探测手段探测到宇宙中微子背景？
• RQ4 在第三代引力波探测器中，如何将暴胀产生的随机引力波背景与天体物理前景分离？
• RQ5 在遗迹辐射能量密度或光谱特征中的差异揭示了标准模型之外的哪些新物理？

主要发现

• 预计CMB-S4可将张量-标量比约束至r < 0.001，若被探测到，将使暴胀接近大统一能量尺度。
• CMB与引力波观测站的结合可通过比较原初引力波谱的预测，检验或排除暴胀的替代理论。
• 未来的三维大尺度结构调查（如Stage-V光谱学、21厘米阵列）将使原初非高斯性的约束超越二维CMB测量的统计极限。
• 通过第三代探测器中的光谱畸变或偏离尺度不变性，暴胀产生的随机引力波背景可能被探测到。
• CMB与引力波数据中的前景消除仍是重大挑战，尤其因系统误差与重叠双星信号所致，亟需新算法与建模方法。
• 必须立即启动下一代仪器的技术研发，包括先进CMB探测器、CBE型引力波观测站及毫米波强度映射技术，以支持2035年及以后的科学计划。