Experimental and theoretical challenges in the search for tensor B-modes

Abstract

This thesis describes the work that I performed to analyse the data from the Atacama B-mode Search (ABS) experiment. The ABS experiment observed the Cosmic Microwave Background (CMB) radiation for three years using polarisation sensitive detectors. The telescope is located at the Atacama desert in the north of Chile at an altitude of 5190 metres. The goal of the experiment is to detect the primordial gravitational waves which were supposed to have been generated during the initial phase of exponential expansion of the universe. These gravitational waves leave unique signatures on the polarised CMB called the tensor B-modes. Several experiments have been built over the last decade to observe them but the primordial tensor B-modes still remain undetected. If found, they will be a direct evidence for a process called Cosmic inflation which is responsible for the initial period of exponential expansion. The detection will also provide hints about the physics of inflation as the characterisation of tensor B-modes via the parameter called tensor-to-scalar ratio r is directly related to the energy scale of inflation O(10^16) GeV, comparable to the grand-unification-theory (GUT) energy scales. The ABS experiment was designed and led by the Physics department at Princeton University. The ABS observed the CMB at 145 GHz using polarisation sensitive transition-edge-sensor (TES) bolometers. There are two mirrors, 60 cms each arranged in a compact crossed-Dragone configuration. The ABS was the first ground-based CMB experiment to successfully implement the rapid polarisation modulation using a continuously rotating (warm) half-wave-plate (HWP). In this article, I present the observation strategy, data acquisition, instrument calibration, and the data selection techniques used to produce the CMB maps and power spectrum estimation. For completeness, I also briefly describe the work done by other members of the ABS project but clearly mention my contribution at the start of every chapter. The final power spectrum is not shown as the data selection techniques and the modelling of the galactic foregrounds are still being finalised. However, the results from detailed statistical assessment of the data using an exhaustive suite of null tests indicate that we are not affected by any significant systematic effects. The assessment of the ABS null tests will be the major result of this work. ### en español: Esta tesis describe el trabajo que he realizado para analizar los datos del experimento Atacama B-mode Search (ABS). Utilizando el telescopio de ABS, cuyos detectores son sensible a la polarización, durante un periodo de tres años se observa la radiación en microondas del fonda cósmico (CMB). El telescopio esta instalado en el desierto de Atacama, en el norte de Chile, a una altura de 5190 metros. El objetivo del experimento es detectar las ondas gravitationales primordiales supuestamente generadas durante la fase inicial de expansión exponencial del universo. Estas ondas gravitacionales dejan registros únicas en polarizacion del CMB llamados tensor B-modes. Durante la ultima decada se han realizado varios instrumentos para observar tensor B-modes, pero no se han detectado aun. Si se les detecta, serian una evidencia directa de un proceso llamado inflación cósmica que sera el período inicial de la expansión exponencial. La detección también proporcionará pistas sobre la física de la inflación como la caracterización de tensor B-modes vía el cuociente tensor-a-escalar llamado r, está directamente relacionada con la escala de energía de la inflación O(10^16) GeV, comparable a la gran unificación teoría (GUT) escalas de energía. El experimento ABS fue diseñado y dirigido por el departamento de Física de la Universidad de Princeton. El ABS observo la CMB en la frecuencia de 145 GHz utilizando bolometros sensibles a la polarizacio del tipo transition-edge-sensor (TES). Posee dos espejos, de 60 cms cada uno y dispuestos en una configuracion del tipo compact crossed-Dragone. El ABS fue el primer experimento de medicion de la CMB, situado en la Tierra, en implementar exitosamente la modulacion de polarizacion rápida mediante una placa de media-onda half-wave-plate (HWP) mantenida a temperatura ambiente y girando continuamente. En este reporte, presento la estrategia de observación, adquisición de datos, la calibración del instrumento, y las técnicas de selección de datos utilizados para producir los mapas de la CMB y estimación del Espectro de potencia de la CMB. Por completitud, también describo brevemente el trabajo realizado por otros miembros del proyecto ABS, pero menciono claramente mi contribución al comienzo de cada capítulo. El espectro de potencia final no se ha incluido debido a que tanto las técnicas de selección de datos y el modelado de la absorpcion debida a nuestra galaxia no están aun finalizadas. Sin embargo, los resultados de la evaluación estadística detallada de los datos utilizando un conjunto exhaustivo de pruebas de sesgo nulo (null tests) indican que nuestras medidas no estan afectadas significativamente por efectos sistemáticos. La evaluación de las pruebas de sesgo nulo de las observaciones llevadas a cabo con el telescopio ABS nulos, es el principal resultado de este trabajo. Este resultado posibilita una determinacion robusta del Espectro de Potencia de la CMB.