Data analysis and scientific exploitation of the CMB B-modes experiment, POLARBEAR
Analyse et exploitation scientifique des données de l'expérience d'observation des modes B du Fond Diffus Cosmologique, POLARBEAR
Résumé
Over the last two decades cosmology has been transformed from a data-starved to a data-driven, high precision science.
This transformation happened thanks to improved observational techniques, allowing to collect progressively bigger and more powerful data sets. Studies of the Cosmic Microwave Background (CMB) anisotropies have played, and continue on doing so, a particularly important and impactful role in this process. The huge data sets produced by recent CMB experiments pose new challenges for the field due to their volumes and complexity. Its successful resolution requires combining mathematical, statistical and computational methods all of which form a keystone of the modern CMB data analysis.
In this thesis, I describe data analysis of the first data set produced by one of the most advanced, current CMB experiments, POLARBEAR and the major results it produced. The POLARBEAR experiment is a leading CMB B-mode polarization experiment aiming at detection and characterization of the so-called B-mode signature of the CMB polarization. This is one of the most exciting topics in the current CMB research, which only just has started yielding new insights onto cosmology in part thanks to the results discussed hereafter.
In this thesis I describe first the modern cosmological model, focusing on the physics of the CMB, and in particular its polarization properties, and providing an overview of the past experiments and results. Subsequently, I present the POLARBEAR instrument, data analysis of its first year data set and the scientific results drawn from it, emphasizing my major contributions to the overall effort. In the last chapter, and in the context of the next generation CMB B-mode experiments, I present a more systematic study of the impact of the presence of the so-called E-to-B leakage on the performance forecasts of CMB B-mode experiments, by comparing several methods including the pure pseudospectrum method and the minimum variance quadratic estimator. In particular, I detail how the minimum variance quadratic estimator in the case of azimuthally symmetric patches can be used to estimate efficiently parameters, and I present an efficient implementation based on existing parallel algorithms for computing Spherical Harmonic Transforms.
L'évolution des techniques d'observation au cours des deux dernières décennies a rendu possible l'obtention de jeux de données de plus en plus précis, et a permis l'évolution de la cosmologie vers une science de haute précision.
Les études menées sur les anisotropies du Fond Diffus Cosmologique n'ont jamais cessé de jouer un rôle prépondérant dans cette transformation, tant leurs impacts ont été importants. Néanmoins, les jeux de données extrêmement volumineux et complexes produits par les expériences de Fond Diffus en cours posent un nouveau défi pour le domaine, à tel point que la réussite de l'analyse moderne des données du Fond Diffus repose sur une forte interdisciplinarité combinant de la physique, des mathématiques, des méthodes statistiques ainsi que des méthodes de calcul numérique.
Dans cette thèse, j'expose l'analyse du premier jeu de données produit par POLARBEAR, l'une des expériences actuelle de premier plan sur le Fond Diffus, ainsi que les résultats majeurs obtenus. L'expérience POLARBEAR est spécifiquement dédiée à la détection et à la caractérisation de la signature des modes B de la polarisation du Fond Diffus Cosmologique. La recherche des modes B est l'un des sujets actuel les plus passionnants pour le Fond Diffus, qui a commencé à ouvrir de nouvelles perspectives sur la cosmologie, en partie grâce aux résultats présentés et discutés dans ce travail.
Dans cette thèse, je décris en premier lieu le modèle cosmologique actuel, en me concentrant sur la physique du Fond Diffus, et plus particulièrement ses propriétés de polarisation; ainsi qu'une vue d'ensemble des contributions et des résultats des expériences antérieures et en cours. Dans un deuxième temps, je présente l'instrument POLARBEAR, l'analyse des données prises lors de la première année d'observation, ainsi que les résultats scientifiques qui en ont été tirés, en soulignant principalement ma contribution au projet dans son ensemble. Dans le dernier chapitre, et dans le contexte des prochaines générations d'expérience sur les modes B, je détaille une étude plus systématique concernant l'impact de la présence des fuites des modes E dans les modes B sur les performances prévues par ces futures expériences, notamment en comparant plusieurs méthodes dont la méthodes des pseudospectres pures ainsi que l'estimateur quadratique à variance minimum.
En particulier, dans le cas d'observation du ciel présentant une symétrie azimutale, je détaille comment l'estimateur quadratique à variance minimum peut être utilisé pour estimer de manière efficace les paramètres cosmologiques, et je présente une implémentation performante basée sur des algorithmes parallèles existants pour le calcul des transformations en harmoniques sphériques.