Polarización del Fondo Cósmico de Radiación: Buscando los modos B utilizando el experimento QUBIC de interferometría bolométrica - Gamboa Lerena, Martín Miguel (2022)
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 (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.