QUBIC VIII: Optical design and performance

O'Sullivan, Créidhe M.; Petris, M. De; Amico, G.; Battistelli, E. S.; Bernardis, P. de; Burke, David; Buzi, D.; Chapron, C.; Conversi, L.; D’Alessandro, G.; Leo, M. De; Gayer, D.; Grandsire, L.; Hamilton, Jean-Christophe; Marnieros, S.; Masi, S.; Mattei, A.; Mennella, A.; Mousset, L.; Murphy, J.D.; Pelosi, A.; Perciballi, M.; Piat, M.; Scully, Stephen; Tartari, A.; Torchinsky, S.; Voisin, F.; Zannoni, M.; Zullo, A.; Ade, Peter A. R.; Alberro, J.G.; Almela, A.; Arnaldi, L. H.; Auguste, Didier; Aumont, J.; Azzoni, S.; Banfi, Stefano; Baù, A.; Bélier, B.; Bennett, D.; Bergé, L.; Bernard, J.-P.; Bersanelli, M.; Bigot-Sazy, M.-A.; Bonaparte, J.; Bonis, J.; Bunn, Emory F.; Cavaliere, F.; Chanial, P.; Charlassier, R.; Cerutti, Agustín Cobos; Columbro, F.; Coppolecchia, A.; Gasperis, G. de; Dheilly, S.; Duca, C.; Dumoulin, L.; Etchegoyen, A.; Fasciszewski, A.; Ferreyro, L.P.; Fracchia, D.; Franceschet, C.; Lerena, M.M. Gamboa; Ganga, K.; García, Beatriz; Redondo, M.E. García; Gaspard, M.; Gervasi, M.; Giard, M.; Gilles, V.; Giraud‐Héraud, Y.; Berisso, M. Gómez; González, M.; Grądziel, M.; Hampel, Matías Rolf; Harari, D.; Henrot-Versillé, S.; Incardona, F.; Jules, E.; Kaplan, J.; Kristukat, C.; Lamagna, L.; Loucatos, S.; Louis, Thibaut; Maffei, B.; Marty, W.; May, A.; McCulloch, M.; Mele, L.; Melo, D.; Montier, L.; Mundo, L.M.; Murphy, J. Anthony; Nati, F.; Olivieri, E.; Oriol, C.; Paiella, A.; Pajot, F.; Passerini, A.; Pastoriza, H.; Perbost, C.; Pezzotta, F.; Piacentini, F.; Piccirillo, L.; Pisano, G.; Platino, M.; Polenta, G.; Prêle, D.; Puddu, Roberto; Rambaud, D.; Rasztocky, E.; Ringegni, P.; Romero, Gustavo E.; Salum, J.M.; Schillaci, A.; Scóccola, Claudia G.; Spinelli, S.; Stankowiak, G.; Stolpovskiy, M.; Supanitsky, A. D.; Thermeau, Jean‐Pierre; Timbie, Peter; Tomasi, M.; Tucker, C.; Tucker, Gregory S.; Viganò, Daniele; Vittorio, N.; Wicek, F.; Wright, M.

doi:10.1088/1475-7516/2022/04/041

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“…The beams were then recombined and the interference fringes measured to determine the phase difference between them. In QUBIC, the pipes are replaced by an array of back-to-back feedhorns, and the beams are recombined by an arrangement of two mirrors [see O'Sullivan et al 39, for details].…”

Section: Bolometric Interferometrymentioning

confidence: 99%

“…The scientific overview and expected performance of the instrument are addressed here. The other papers in the special issue address the following topics: the ability of bolometric interferometry to do spectral imaging [33], the calibration and performance in the laboratory of the TD [34], the performance of the detector array and readout electronics [35], the cryogenic system performance [36], the Half Wave Plate rotator system [37], the back-to-back feedhorn-switch system [38], and the optical design and performance [39].…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

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QUBIC I: Overview and science program

Hamilton

Mousset

Battistelli

et al. 2022

J. Cosmol. Astropart. Phys.

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The Q & U Bolometric Interferometer for Cosmology (QUBIC) is a novel kind of polarimeter optimized for the measurement of the B-mode polarization of the Cosmic Microwave Background (CMB), which is one of the major challenges of observational cosmology. The signal is expected to be of the order of a few tens of nK, prone to instrumental systematic effects and polluted by various astrophysical foregrounds which can only be controlled through multichroic observations. QUBIC is designed to address these observational issues with a novel approach that combines the advantages of interferometry in terms of control of instrumental systematic effects with those of bolometric detectors in terms of wide-band, background-limited sensitivity. The QUBIC synthesized beam has a frequency-dependent shape that results in the ability to produce maps of the CMB polarization in multiple sub-bands within the two physical bands of the instrument (150 and 220 GHz). These features make QUBIC complementary to other instruments and makes it particularly well suited to characterize and remove Galactic foreground contamination. In this article, first of a series of eight, we give an overview of the QUBIC instrument design, the main results of the calibration campaign, and present the scientific program of QUBIC including not only the measurement of primordial B-modes, but also the measurement of Galactic foregrounds. We give forecasts for typical observations and measurements: with three years of integration on the sky and assuming perfect foreground removal as well as stable atmospheric conditions from our site in Argentina, our simulations show that we can achieve a statistical sensitivity to the effective tensor-to-scalar ratio (including primordial and foreground B-modes) σ(r)=0.015.

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Section: Bolometric Interferometrymentioning

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Section: Introductionmentioning

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QUBIC I: Overview and science program

Hamilton

Mousset

Battistelli

et al. 2022

J. Cosmol. Astropart. Phys.

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“…El panel de la izquierda de la figura 2.7 muestra el arreglo de EI del QUBIC-FI. El arreglo de EI tiene 400 elementos en una grilla con forma circular (más detalles en Cavaliere et al [80] y O'Sullivan et al [81]).…”

Section: Breve Descripción Del Instrumentounclassified

“…Abajo: Esquema del diseño de un sólo EI con sus dimensiones reales. Figuras tomadas de [80,81] Figura 2.6: Medida de la resistencia de cuatro TES de QUBIC a través de la transición superconductora. Los detectores TES tienen una fuerte dependencia de la temperatura con la resistencia en la transición de fase (de estado súper-conductor a estado normal).…”

Section: Breve Descripción Del Instrumentounclassified

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

Lerena¹

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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.

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QUBIC II: Spectral polarimetry with bolometric interferometry

Mousset¹,

Lerena²,

Battistelli³

et al. 2022

J. Cosmol. Astropart. Phys.

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Bolometric interferometry is a novel technique that has the ability to perform spectral imaging. A bolometric interferometer observes the sky in a wide frequency band and can reconstruct sky maps in several sub-bands within the physical band in post-processing of the data. This provides a powerful spectral method to discriminate between the cosmic microwave background (CMB) and astrophysical foregrounds. In this paper, the methodology is illustrated with examples based on the Q & U Bolometric Interferometer for Cosmology (QUBIC) which is a ground-based instrument designed to measure the B-mode polarization of the sky at millimeter wavelengths. We consider the specific cases of point source reconstruction and Galactic dust mapping and we characterize the point spread function as a function of frequency. We study the noise properties of spectral imaging, especially the correlations between sub-bands, using end-to-end simulations together with a fast noise simulator. We conclude showing that spectral imaging performance are nearly optimal up to five sub-bands in the case of QUBIC.

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QUBIC VIII: Optical design and performance

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

QUBIC II: Spectral polarimetry with bolometric interferometry

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