[论文解读] The BRAIN experiment, a bolometric interferometer dedicated to the CMB B-mode measurement

R. Charlassier|arXiv (Cornell University)|May 29, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 7被引用 3

一句话总结

BRAIN实验提出一种采用准光学光束合成与相位移多路复用技术的热释电干涉仪，通过CMB B模式信号探测原初引力波。该实验计划在南极冰穹C站点利用九个模块和一年的数据，以4σ显著性约束张量标量比r = 0.01。

ABSTRACT

We present the BRAIN Experiment, a project of B-mode experiment using a novel technology, bolometric interferometry. This technique is a promising alternative to direct imaging experiments since it combines the advantages of interferometry in terms of systematic effects handling and those of bolometry in terms of sensitivity. We briefly introduce some of the bolometric interferometry key concepts and difficulties. We then give the specifications of the BRAIN future detector. A first module of the final instrument is planned to be installed at Dome C in 2010. We hope to constrain a tensor to scalar modes ratio of 0.01 with nine modules and one effective year of data. BRAIN is a collaboration between France, Italy and United Kingdom.

研究动机与目标

• 解决探测微弱CMB B模式信号这一极端实验挑战，该信号对于探测原初引力波至关重要。
• 克服直接成像实验中常见的系统误差，如光束失配、增益误差和偏振串扰等问题。
• 开发一种创新的干涉技术，结合热释电灵敏度与干涉系统误差控制，以实现对B模式探测的高灵敏度。
• 通过原型机和先导部署实验，在冰穹C站点证明大规模热释电干涉技术的可行性。
• 在实现与成像实验相当的灵敏度的同时，通过干涉设计原理减轻仪器系统误差。

提出的方法

• 采用背对背双馈电喇叭和非轴向望远镜的准光学干涉仪（QOI）设计，对多个馈电喇叭的微波信号进行相干合成。
• 在每个馈电喇叭输入端使用正交模转换器（OMT）分离正交偏振态。
• 通过受控相位移器实现基线间可见度的时间域多路复用。
• 在焦平面使用冷却热释电探测器（300 mK）测量所有入射信号的平方律和，从而有效测量作为线性组合的可见度。
• 通过准光学光束合成器实现空间多路复用，类似于巴特勒合成器，将信号功率分配至热释电探测器阵列。
• 仪器设计包含三个频段（90、150、220 GHz），每个模块配备144个馈电喇叭，目标探测多极矩范围为50至200。

实验结果

研究问题

• RQ1 热释电干涉仪是否能在保持与直接成像实验相当灵敏度的同时，有效降低系统误差？
• RQ2 热释电干涉仪中相位移序列在多大程度上能实现可见度的恢复，且灵敏度下降最小？
• RQ3 针对在r = 0.01下探测CMB B模式信号，大规模热释电干涉仪的最佳设计为何？
• RQ4 南极冰穹C站点在多大程度上可实现低噪声、高灵敏度的CMB B模式观测？
• RQ5 模块化、多频段热释电干涉仪是否可在极端条件下实现实际部署与长期校准？

主要发现

• BRAIN实验设计通过九个模块和一年有效数据，可实现对张量标量比r = 0.01的4σ显著性约束。
• 基于QOI的设计实现了可见度的空间与时间域多路复用，通过受控相位移序列可恢复可见度振幅。
• 冰穹C站点具备优异的大气条件，亮度温度约为14 K，水汽可降水量低，非常适合亚毫米波观测。
• 在冰穹C站点的原型先导任务（2006年、2007年）证实了该站点适合CMB观测，共收集一个月数据。
• 灵敏度分析表明，若采用最优相位移序列，热释电干涉仪可实现与相同数量喇叭和热释电探测器的成像实验相当的灵敏度。
• 最终仪器将由九个模块组成，每个模块包含144个馈电喇叭和约100个热释电探测器，工作于90、150和220 GHz频段，目标探测多极矩范围为50至200。