[论文解读] The new generation CMB B-mode polarization experiment: POLARBEAR

The Polarbear Collaboration, Errard, J.+44 more|ORCA Online Research @Cardiff (Cardiff University)|Nov 2, 2010

Superconducting and THz Device Technology参考文献 6被引用 14

一句话总结

POLARBEAR 是一项下一代 CMB B 模态极化实验，利用安装在 Huan Tran 望远镜上的 1,200 个热释电传感器阵列，以高灵敏度和对系统误差的良好控制来绘制宇宙微波背景图。该实验采用旋转的四分之一波片、低损耗超导微带线以及频率复用读出技术，以探测张量与标量比为 r ~ 0.025 的原初 B 模态，从而推进对暴胀和早期宇宙物理的约束。

ABSTRACT

We describe the Cosmic Microwave Background (CMB) polarization experiment called Polarbear. This experiment will use the dedicated Huan Tran Telescope equipped with a powerful 1,200-bolometer array receiver to map the CMB polarization with unprecedented accuracy. We summarize the experiment, its goals, and current status.

研究动机与目标

• 以前所未有的精度测量宇宙微波背景（CMB）极化各向异性的目标，以探究早期宇宙物理。
• 探测原初 B 模态极化，这是宇宙暴胀期间原初引力波的特征信号。
• 约束宇宙学参数，如张量与标量比 r、总中微子质量和早期暗能量效应。
• 通过先进的光学设计、调制极化探测和多频段观测，最大限度地减少系统误差。
• 在智利阿塔卡马沙漠正式部署前，通过在加利福尼亚的工程测试运行验证仪器性能。

提出的方法

• 使用 1,200 个热释电传感器阵列，其中热释电传感器为天线耦合的过渡边缘传感器（TES），在 250 mK 温度下工作，以探测亚毫米波段的极化辐射。
• 采用超导微带传输线，以在 150–220 GHz 频率范围内最小化信号损耗。
• 在芯片上集成带宽定义微带滤波器，实现每个像素的多频段响应，减少对芯片外滤波器的依赖。
• 采用频域复用读出技术，结合 SQUID 读出系统，每个热释电传感器在不同偏置频率下工作，从而实现同时读出。
• 利用连续旋转的四分之一波片调制入射极化，实现同步检测，抑制 1/f 噪声和扫描同步噪声。
• 采用双级低温系统，包括脉冲管制冷机（冷却至 4 K）和氦吸附制冷机（冷却至 250 mK），以维持探测器的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 地面 CMB 实验能否实现足够的灵敏度和系统误差控制，以探测张量与标量比为 r ~ 0.025 的原初 B 模态极化？
• RQ2 旋转四分之一波片与频率复用读出技术在抑制低频仪器噪声方面的效率如何？
• RQ3 芯片上的微带滤波器与低损耗传输线在高密度热释电传感器阵列中对信号保真度的提升程度如何？
• RQ4 大气与仪器极化对 B 模态测量的影响是什么？如何实现校准与建模？
• RQ5 能否在阿塔卡马沙漠等高海拔、干燥的台址成功部署可扩展的、多频段、多像素热释电传感器阵列？

主要发现

• POLARBEAR 仪器实现了每焦平面 36 μK√s 的探测器噪声等效功率（NEP），支持高灵敏度 CMB 极化测绘。
• 芯片上集成微带滤波器与超导传输线显著降低了信号损耗，并实现了单个像素的多频段响应。
• 频率复用 SQUID 读出系统成功实现了 1,200 个热释电传感器的同时读出，且热负荷极低。
• 在加利福尼亚的工程测试运行验证了探测器阵列、指向模型及系统误差抑制技术的性能，为全面部署奠定了基础。
• 最终仪器设计具有 4° 的半高全宽波束和低旁瓣光学系统，优化了以最小化与波束相关的系统误差。
• POLARBEAR 预计将实现探测张量与标量比为 r ~ 0.025 的原初 B 模态极化的足够灵敏度，这是暴胀宇宙学的关键目标。