A hunt for Cosmic Microwave Background B-modes in the systematic contaminants jungle
La chasse aux modes-B du fond diffus cosmologique dans la jungle des contaminations systématiques
Résumé
This thesis presents a study of selected instrumental and astrophysical systematics, which may affect the performance of new generation of future observations of the Cosmic Microwave Background (CMB) polarization. It elaborates on their impact on the science goals of those observations and discusses techniques and approaches for their removal. Its focus is on general issues typical of entire classes of experiments, but also on specific problems as encountered in the context of a CMB B-mode experiment, POLARBEAR. The main target of the CMB polarization effort undergoing currently in the field is a detection of the primordial B-modes anisotropies --- a so far undetected signature of the inflationary theories. This would have far-reaching impact on our understanding of the universe but also fundamental laws of physics. Understanding, modelling, and ultimately removal of the systematics are essential steps in any modern CMB analysis pipeline and their successful accomplishment, together with a high instrumental sensitivity, will decide of a final success of the entire effort. In this thesis I first describe optics of typical CMB experiments and introduce a parametrization of instrumental and cross-polarization effects particularly convenient for the analysis of their impact. Second, I present a model describing the atmospheric contamination and use it to provide some insights about the atmosphere's role and its impact on performance of ground-based experiments. I also outline how it could be used further to improve control of atmospheric effects in the CMB data analysis. Then, I discuss another source of sky systematics --- the polarized astrophysical foregrounds. In this context I present on the one hand a new approach to forecasting performance of the future experiments, which accounts for the presence of the foregrounds, while on the other I propose a framework for optimizing hardware of such experiments to let them achieve better performance. This part of thesis stems from a common work with drs. F. Stivoli and R. Stompor. I finally present one of the leading CMB polarization experiment POLARBEAR, in which I have been involved in over the course of my PhD studies. I describe its current status and performance as well as selected steps of its data analysis pipeline. In particular, I show methods to estimate some of the parameters introduced for the systematics modeling from simulated data. This work has been performed in collaboration with members of the POLARBEAR team.
Cette thèse présente une étude de certains effets systématiques instrumentaux et astrophysiques, pouvant affecter les performances des nouvelles et futures générations d'observations de la polarisation du fond diffus cosmologique (CMB). Nous étudions l'impact de ces effets sur les objectifs scientifiques de ces observations, ainsi que les techniques pour leur élimination. Ce travail se concentre sur les problèmes généraux que rencontrent les expériences de manière générale, mais se penche également sur les questions plus spécifiques soulevées dans le cadre de l'expérience d'observation des modes-B du CMB, POLARBEAR. L'objectif principal de l'effort actuel pour l'étude de la polarisation du CMB est une détection des anisotropies primordiales appelées modes-B --- une signature des théories inflationnaires non détectée à ce jour. Cela aurait un grand impact sur notre compréhension de l'univers, mais aussi des lois fondamentales de la physique. Comprendre, modéliser, et, finalement, éliminer ces effets systématiques sont des éléments indispensables pour tout pipeline d'analyse moderne du CMB. Sa réussite, de concert avec une haute sensibilité instrumentale, décidera du succès final des efforts entrepris. Dans cette thèse je décris tout d'abord l'optique des expériences typiques d'observation du CMB et propose un paramétrage des polarisations instrumentale et croisée. Deuxièmement, je présente un modèle décrivant la contamination atmosphérique et utilise celui-ci afin de donner quelques aperçus sur le rôle et l'impact de l'atmosphère sur les performances des expériences au sol. J'indique également comment ces résultats peuvent être utilisés pour améliorer le contrôle des effets atmosphériques dans l'analyse des données CMB. Ensuite, je discute d'une autre source d'effets systématiques venant du ciel --- les avants-plans astrophysiques polarisés. Dans ce contexte, je présente d'une part une nouvelle approche pour prédire les performances des futures expériences prenant en compte la présence des avant-plans, et d'autre part je propose un cadre pour l'optimisation des expériences afin qu'elles puissent atteindre de meilleures performances. Cette partie de la thèse est issue d'un travail commun avec F. Stivoli et R. Stompor. Je présente enfin une expèrience phare pour l'observation de la polarisation du CMB, POLARBEAR, dans laquelle j'ai été impliqué au cours de mes études doctorales. Je décris le statut actuel et les performances de l'instrument ainsi que quelques étapes de son pipeline d'analyse des données. En particulier, je montre des méthodes d'estimation de certains des paramètres introduits pour la modélisation d'effets systématiques, à partir de données simulées. Ce travail a été réalisé en collaboration avec les membres de l'équipe POLARBEAR.
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