Identifying frequency decorrelated dust residuals in B-mode maps by exploiting the spectral capability of bolometric interferometry

Astrophysical polarized foregrounds represent the most critical challenge in Cosmic Microwave Background (CMB) B-mode experiments. Multi-frequency observations can be used to constrain astrophysical foregrounds to isolate the CMB contribution. However, recent observations indicate that foreground emission may be more complex than anticipated. We investigate how the increased spectral resolution provided by band splitting in Bolometric Interferometry (BI) through a technique called spectral imaging can help control the foreground contamination in the case of unaccounted Galactic dust frequency decorrelation along the line-of-sight. We focus on the next generation ground-based CMB experiment CMB-S4, and compare its anticipated sensitivities, frequency and sky coverage with a hypothetical version of the same experiment based on BI. We perform a Monte-Carlo analysis based on parametric component separation methods (FGBuster and Commander) and compute the likelihood on the recovered tensor-to-scalar ratio. The main result of this analysis is that spectral imaging allows us to detect systematic uncertainties on r from frequency decorrelation when this effect is not accounted for in component separation. Conversely, an imager would detect a biased value of r and would be unable to spot the presence of a systematic effect. We find a similar result in the reconstruction of the dust spectral index, where we show that with BI we can measure more precisely the dust spectral index also when frequency decorrelation is present. The in-band frequency resolution provided by BI allows us to identify dust LOS frequency decorrelation residuals where an imager of similar performance would fail. This opens the prospect to exploit this potential in the context of future CMB polarization experiments that will be challenged by complex foregrounds in their quest for B-modes detection.Comment: 13 Pages, 15 figures, 4 tables. Submitted to A&

QUBIC II: Spectro-Polarimetry with Bolometric Interferometry

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.Fil: Gamboa Lerena, Martín Miguel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata; Argentina. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas; ArgentinaFil: Landau, Susana Judith. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; ArgentinaFil: Mennella, A.. Università degli Studi di Milano; Italia. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare; ItaliaFil: Scoccola, Claudia Graciela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata; Argentina. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas; ArgentinaFil: Almela, Daniel Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Arnaldi, Luis Horacio. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Cobos Cerutti, Agustin Cleto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Duca, Clara. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Etchegoyen, Alberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Ferreyro, Luciano Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Fracchia, Diego. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: García Méndez, Betania Sorybet. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: García Redondo, Manuel Elías. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Gervasi, Maria Gracia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Università degli Studi di Milano; Italia. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare; ItaliaFil: Gomez Berisso, Mariano. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Hampel, Matias Rolf. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Harari, Diego Dario. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica; ArgentinaFil: Melo, Diego Gabriel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Pajot, Hipolito Fernando. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Centre National de la Recherche Scientifique; FranciaFil: Pastoriza, Hernan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Fundación José A. Balseiro; ArgentinaFil: Platino, Manuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Rasztocky, Emiliano. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comisión de Investigaciones Científicas. Instituto Argentino de Radioastronomía. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto Argentino de Radioastronomía; ArgentinaFil: Romero, G. E.. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comisión de Investigaciones Científicas. Instituto Argentino de Radioastronomía. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto Argentino de Radioastronomía; ArgentinaFil: Salum, Juan Manuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Supanitsky, Alberto Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Wright, María. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. University of Manchester; Reino Unid

Status of QUBIC, the Q&U Bolometer for Cosmology

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 Back-ground (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 systematics with those of bolometric detectors in terms of wide-band, background-limited sensitivity.Comment: Contribution to the 2022 Cosmology session of the 33rd Rencontres de Blois. arXiv admin note: substantial text overlap with arXiv:2203.0894

QUBIC VI: cryogenic half wave plate rotator, design and performances

Inflation Gravity Waves B-Modes polarization detection is the ultimate goal of modern large angular scale cosmic microwave background (CMB) experiments around the world. A big effort is undergoing with the deployment of many ground-based, balloon-borne and satellite experiments using different methods to separate this faint polarized component from the incoming radiation. One of the largely used technique is the Stokes Polarimetry that uses a rotating half-wave plate (HWP) and a linear polarizer to separate and modulate the polarization components with low residual cross-polarization. This paper describes the QUBIC Stokes Polarimeter highlighting its design features and its performances. A common systematic with these devices is the generation of large spurious signals synchronous with the rotation and proportional to the emissivity of the optical elements. A key feature of the QUBIC Stokes Polarimeter is to operate at cryogenic temperature in order to minimize this unwanted component. Moving efficiently this large optical element at low temperature constitutes a big engineering challenge in order to reduce friction power dissipation. Big attention has been given during the designing phase to minimize the differential thermal contractions between parts. The rotation is driven by a stepper motor placed outside the cryostat to avoid thermal load dissipation at cryogenic temperature. The tests and the results presented in this work show that the QUBIC polarimeter can easily achieve a precision below 0.1{\deg} in positioning simply using the stepper motor precision and the optical absolute encoder. The rotation induces only few mK of extra power load on the second cryogenic stage (~ 8 K).Comment: Part of a series of 8 papers on QUBIC to be submitted to a special issue of JCA

Detection chain and electronic readout of the QUBIC instrument

The Q and U Bolometric Interferometer for Cosmology (QUBIC) Technical Demonstrator (TD) aiming to shows the feasibility of the combination of interferometry and bolometric detection. The electronic readout system is based on an array of 128 NbSi Transition Edge Sensors cooled at 350mK readout with 128 SQUIDs at 1K controlled and amplified by an Application Specific Integrated Circuit at 40K. This readout design allows a 128:1 Time Domain Multiplexing. We report the design and the performance of the detection chain in this paper. The technological demonstrator unwent a campaign of test in the lab. Evaluation of the QUBIC bolometers and readout electronics includes the measurement of I-V curves, time constant and the Noise Equivalent Power. Currently the mean Noise Equivalent Power is ~ 2 x 10⁻¹⁶ W/√Hz