[论文解读] Snowmass2021 CMB-HD White Paper

The CMB-HD Collaboration, Simone Aiola+62 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 39

一句话总结

CMB-HD 提出进行半个天区、超深度毫米波调查，分辨率为 15″，灵敏度为 0.5 μK-arcmin，通过 CMB 引力透镜、tSZ/kSZ 和多频前景分离，绘制小尺度物质、气体和早期宇宙物理图景。

ABSTRACT

CMB-HD is a proposed millimeter-wave survey over half the sky that would be ultra-deep (0.5 uK-arcmin) and have unprecedented resolution (15 arcseconds at 150 GHz). Such a survey would answer many outstanding questions about the fundamental physics of the Universe. Major advances would be 1.) the use of gravitational lensing of the primordial microwave background to map the distribution of matter on small scales (k~10 h Mpc^(-1)), which probes dark matter particle properties. It will also allow 2.) measurements of the thermal and kinetic Sunyaev-Zel'dovich effects on small scales to map the gas density and velocity, another probe of cosmic structure. In addition, CMB-HD would allow us to cross critical thresholds: 3.) ruling out or detecting any new, light (< 0.1 eV) particles that were in thermal equilibrium with known particles in the early Universe, 4.) testing a wide class of multi-field models that could explain an epoch of inflation in the early Universe, and 5.) ruling out or detecting inflationary magnetic fields. CMB-HD would also provide world-leading constraints on 6.) axion-like particles, 7.) cosmic birefringence, 8.) the sum of the neutrino masses, and 9.) the dark energy equation of state. The CMB-HD survey would be delivered in 7.5 years of observing 20,000 square degrees of sky, using two new 30-meter-class off-axis crossed Dragone telescopes to be located at Cerro Toco in the Atacama Desert. Each telescope would field 800,000 detectors (200,000 pixels), for a total of 1.6 million detectors.

研究动机与目标

• 推动半天区、超深度的 CMB 调查（CMB-HD），以解决基础物理与天体物理学问题。
• 通过 CMB 引力透镜绘制小尺度物质分布，以检验暗物质模型（CDM 与其他替代模型）。”
• 在小尺度上测量热 SZ 与动 SZ 效应，以研究气体密度与速度。
• 约束轻型剩余粒子、类轴子粒子、暴涨期磁场、原初非高斯性、原初引力波、暗能量、中微子质量，以及宇宙偏振双折射。
• 提供公开可获取的数据产品，并与同期的地基与太空实验协同工作。

提出的方法

• 在阿塔卡马沙漠的 Cerro Toco 使用两台 30 米级的非轴对称 Crossed Dragone 望远镜。
• 在 7.5 年内覆盖 20,000 deg^2，覆盖 30 至 350 GHz 的七个频段，以将前景信号与 CMB 分离。
• 在 150 GHz 达到 0.5 μK-arcmin 深度和 15 arcsecond 分辨率，以实现高保真 CMB 引力透镜与 SZ 测量。
• 从 CMB 引力透镜提取小尺度物质幂谱，到 k ~ 10 h Mpc^-1，并在小尺度上测量 tSZ/kSZ 信号。
• 将 CMB 派生的测量结果与星系调查进行互相关，以约束非高斯性与暴涨物理。
• 评估并缓解前景信号与系统误差，以在多频带中维持干净的 CMB 信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过 CMB 引力透镜在小尺度上实现的物质幂谱测量精度有多高，能否将 CDM 与替代暗物质模型区分开？
• RQ2 在 ALP 质量范围内，通过共振光子-轴子转换和偏振振荡，可以对类轴子粒子和轻再生粒子获得哪些约束？
• RQ3 CMB-HD 在暴涨物理方面的约束有多紧密，包括原初非高斯性、原初引力波和暴涨磁场？
• RQ4 结合 CMB-HD、星系调查和簇测量，在中微子质量和暗能量方程状态方面能获得哪些改进？
• RQ5 使用 CMB 偏振数据，对各向同性和各向异性宇宙偏振双折射的前景灵敏度如何？

主要发现

• 投影灵敏度：σ(r)=0.005 用于原初引力波。
• σ(N_eff)=0.014，使对任何符合 0.027 阈值的新轻热生物的 95% 置信水平检验成为可能。
• σ(w)=0.005 的暗能量方程状态。
• σ(Σm_ν)=13 meV（在当前界限下可能实现 5σ 检测）。
• σ(f_NL^local)=0.26 通过 kSZ–星系调查互相关实现，能够排除大类多场暴涨模型。
• σ(B_SI)=0.036 nG 对暴涨磁场；σ(β)=0.035 arcmin 的各向同性双折射；σ(A_α)=1.4×10^-6 deg^2 的各向异性双折射。