Polarización del Fondo Cósmico de Radiación: Buscando los modos B utilizando el experimento QUBIC de interferometría bolométrica

• Autores: Gamboa Lerena, Martín Miguel
• Año de publicación: 2022
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Scóccola, Claudia Graciela; Kraiselburd, Lucila; Etchegoyen, Alberto; Zaldarriaga, Matías
• Materia: Ciencias Astronómicas; Fondo Cósmico de Radiación; Inflación; Polarización FCR; Interferometría; Imágenes espectrales
• Institución: Universidad Nacional de La Plata

El fondo cósmico de radiación (FCR) es uno de los observables más importantes para estudiar el universo temprano y la inflación. El paradigma de inflación provee un mecanismo para la generación de ondas gravitacionales primordiales imprimiendo modos B de polarización en el FCR. Para la cosmología moderna uno de los principales objetivos es la detección de los modos B primordiales. Para ello se necesita atender tres puntos esenciales: sensibilidad en los detectores, efectos sistemáticos del instrumento, y la señal contaminante de las componentes astrofísicas. QUBIC es un instrumento terrestre cuyo objetivo es medir los modos B de polarización del FCR a escalas angulares intermedias (ℓ = 30 - 400), combinando la técnica de interferometría con la utilización de detectores bolométricos TES en su plano focal. Su particular haz sintético depende de la frecuencia por lo que observando en banda ancha (física) es posible reconstruir imágenes en sub-bandas dentro de la banda ancha observada, esta reconstrucción en sub-bandas lleva el nombre de imágenes espectrales. La ventaja de esta técnica es que se realiza completamente en el pos-procesamiento de los datos. QUBIC es el primer instrumento que utiliza esta técnica. En esta Tesis Doctoral estudiamos las características y propiedades en la reconstrucción de imágenes espectrales. Por otro lado, trabajamos en la optimización de la tubería encargada de simular la una observación completa (desde la construcción de los datos ordenados en el tiempo hasta la reconstrucción en imágenes espectrales). Para ello analizamos estadísticamente el comportamiento del ruido utilizando simulaciones de extremo a extremo y simulaciones Monte-Carlo. Encontramos que el ruido está correlacionado con las sub-bandas adyacentes, por lo que es necesario encontrar un balance entre la resolución espectral deseada y el nivel del ruido. Por otro lado, estudiamos la resolución espacial y espectral a partir de simular observaciones de fuentes puntuales. Hallamos una excelente reconstrucción de las fuentes puntuales en cada sub-banda. En el caso de la frecuencia espectral realizamos simulaciones para caracterizarla y entender cómo se da el proceso de filtración de señal entre las sub-bandas adyacentes. Esto nos permitió definir por primera vez una nueva función de dispersión en puntos en el espacio de la frecuencia. Para realizar las simulaciones utilizamos la supercomputadora NERSC y técnicas de paralelización. La colaboración cuenta actualmente con un demostrador tecnológico del instrumento, QUBIC-TD. Desde 2019 se realizaron campañas de calibración utilizando una fuente monocromática artificial. La reconstrucción en imágenes espectrales a partir de los datos ordenados en el tiempo (TOD) implica conocer en forma muy precisa la ubicación espacial y la amplitud de los picos del haz sintético en cada detector y cada frecuencia. Adaptando el software para las simulaciones (\texttt{qubicsoft}) pudimos reconstruir la fuente puntual monocromática en múltiples bandas, demostrando así la habilidad (o capacidad) única para QUBIC de hacer imágenes espectrales. Por último, demostramos que QUBIC tiene la capacidad de medir píxel a píxel la distribución espectral de energía sobre mapas del polvo galáctico (en intensidad y polarización) con un año de observación. Para este estudio utilizamos cadenas de Markov-Monte Carlo en ambas configuraciones (instrumento completo y demostrador tecnológico), y considerando la anti-correlación entre las sub-bandas adyacentes dentro de cada banda de observación (150 y 220 GHz) en regiones de alta y baja intensidad de emisión galáctica.
The cosmic microwave background radiation (CMB) is one of the most important observables for studying the early universe and inflation period. The inflation paradigm provides a mechanism generation of primordial gravitational waves by imprinting B modes polarization of CMB. For modern cosmology one of the main objectives is the detection of the primordial B modes. To detect these modes, three essential points need to be addressed: sensitivity in the detectors, systematic effects of the instrument, and the foreground signal of the astrophysical components. QUBIC is a ground-based instrument whose objective is to measure primordial B modes at intermediate angular scales (ℓ = 30 - 400). QUBIC combines the interferometry technique with bolometer TES in its focal plane. The particular synthetic beam of QUBIC depends on the frequency, so observing in broad band (physics) it is possible to reconstruct images in sub-bands within the observed broad band, this reconstruction in sub-bands is called spectral images. The advantage of this technique is that it is done entirely in the post-processing of the data. QUBIC is the first instrument to use this technique. In this Doctoral Thesis we study the features and properties in the reconstruction of spectral images, in addition to working on the optimization of the pipeline used for making them. For that, we study the noise behavior statistically using end-to-end simulations and Monte-Carlo simulations. We find that the noise is correlated with the adjacent sub-bands, so it is necessary to find a balance between the desired spectral resolution and the noise level. On the other hand, we study the spatial and spectral resolution by simulating observations of point sources. We find an excellent reconstruction of the point sources in each sub-band. In the case of the spectral frequency, we perform simulations to characterize it and understand how the signal filtering process between adjacent sub-bands occurs. This allowed us to define for the first time a new point spread function in frequency space. To perform the simulations we use the NERSC supercomputer and parallelization techniques. The QUBIC collaboration currently has a technology demonstrator of the instrument. Since 2019, calibration campaigns have been carried out using an artificial monochrome source. Reconstruction in spectral images from time-ordered data (TOD) implies very precise knowledge of the spatial location and amplitude of the peaks of the synthetic beam in each detector and each frequency. By adapting the software for the simulations (\texttt{qubicsoft}) we were able to do reconstruct the monochromatic point source in multiple bands, thus demonstrating QUBIC's unique ability to make spectral images. Finally, we show that QUBIC has the ability to measure pixel-to-pixel the spectral distribution of energy on maps of galactic dust (in intensity and polarization) with a year of observation. For this study we use Markov-Monte Carlo chains in both configurations of QUBIC (full instrument and technological demonstrator), and accounting the anti-correlation between the adjacent sub-bands within each observation band (150 and 220 GHz) in regions of high and low intensity of galactic emission.
Doctor en Astronomía
Universidad Nacional de La Plata
Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas