QUBIC II: Spectral polarimetry with bolometric interferometry

Mousset, L.; Lerena, M.M. Gamboa; Battistelli, E. S.; Bernardis, P. de; Chanial, P.; D’Alessandro, G.; Dashyan, G.; Petris, M. De; Grandsire, L.; Hamilton, Jean-Christophe; Incardona, F.; Landau, Susana J.; Marnieros, S.; Masi, S.; Mennella, A.; O'Sullivan, Créidhe M.; Piat, M.; Ricciardi, Giulia; Scóccola, Claudia G.; Stolpovskiy, M.; Tartari, A.; Thermeau, Jean‐Pierre; Torchinsky, S.; Voisin, F.; Zannoni, M.; Ade, Peter A. R.; Alberro, J.G.; Almela, A.; Amico, G.; 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.; Burke, David; Buzi, D.; Cavaliere, F.; Chapron, C.; Charlassier, R.; Cerutti, Agustín Cobos; Columbro, F.; Coppolecchia, A.; Gasperis, G. de; Leo, M. De; Dheilly, S.; Duca, C.; Dumoulin, L.; Etchegoyen, A.; Fasciszewski, A.; Ferreyro, L.P.; Fracchia, D.; Franceschet, C.; Ganga, K.; García, Beatriz; Redondo, M.E. García; Gaspard, M.; Gayer, D.; Gervasi, M.; Giard, M.; Gilles, V.; Giraud‐Héraud, Y.; Berisso, M. Gómez; González, M.; Grądziel, M.; Hampel, Matías Rolf; Harari, D.; Henrot-Versillé, S.; Jules, E.; Kaplan, J.; Kristukat, C.; Lamagna, L.; Loucatos, S.; Louis, Thibaut; Maffei, B.; Mandelli, S.; Marty, W.; Mattei, A.; May, A.; McCulloch, M.; Mele, L.; Melo, D.; Montier, L.; Mundo, L.M.; Murphy, J. Anthony; Murphy, J.D.; Nati, F.; Olivieri, E.; Oriol, C.; Paiella, A.; Pajot, F.; Passerini, A.; Pastoriza, H.; Pelosi, A.; Perbost, C.; Perciballi, M.; 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.; Scully, Stephen; Spinelli, S.; Stankowiak, G.; Supanitsky, A. D.; Timbie, Peter; Tomasi, M.; Tucker, C.; Tucker, Gregory S.; Viganò, Daniele; Vittorio, N.; Wicek, F.; Wright, M.; Zullo, A.

doi:10.1088/1475-7516/2022/04/035

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“…QUBIC, as a bolometric inteferometer, can reach the same sensitivity as imagers with the same number of detectors, but it is in addition capable of control and correct systematic effects via the so called self-calibration procedure [3,4]. As every ground-based experiment, QUBIC can perform sky observations only at few frequency bands because of the Earth's atmosphere, but can mitigate this problem by separating the CMB signal from polarized foregrounds via its spectral-imaging capabilities [5,6]. Such unique features of the QUBIC instrument allow to extrapolate the signal at frequency sub-bands within the main channels, with a spectral resolution of Δ𝜈/𝜈 ∼ 0.05 [5], helping to separate the cosmological signal from galactic foregrounds.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

QUBIC VI: Cryogenic half wave plate rotator, design and performance

D’Alessandro¹,

Mele²,

Columbro³

et al. 2022

J. Cosmol. Astropart. Phys.

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Setting an upper limit or detection of B-mode polarization imprinted by gravitational waves from Inflation is one goal of modern large angular scale cosmic microwave background (CMB) experiments around the world. A great effort is being made in the deployment of many ground-based, balloon-borne and satellite experiments, using different methods to separate this faint polarized component from the incoming radiation. QUBIC exploits one of the most widely-used techniques to extract the input Stokes parameters, consisting in a rotating half-wave plate (HWP) and a linear polarizer to separate and modulate polarization components. QUBIC uses a step-by-step rotating HWP, with 15° steps, combined with a 0.4°s-1 azimuth sky scan speed. The rotation is driven by a stepper motor mounted on the cryostat outer shell to avoid heat load at internal cryogenic stages. The design of this optical element is an engineering challenge due to its large 370 mm diameter and the 8 K operation temperature that are unique features of the QUBIC experiment. We present the design for a modulator mechanism for up to 370 mm, and the first optical tests by using the prototype of QUBIC HWP (180 mm diameter). The tests and results presented in this work show that the QUBIC HWP rotator can achieve a precision of 0.15° in position by using the stepper motor and custom-made optical encoder. The rotation induces <5.0 mW (95% C.L) of power load on the 4 K stage, resulting in no thermal issues on this stage during measurements. We measure a temperature settle-down characteristic time of 28 s after a rotation through a 15° step, compatible with the scanning strategy, and we estimate a maximum temperature gradient within the HWP of ≤ 10 mK. This was calculated by setting up finite element thermal simulations that include the temperature profiles measured during the rotator operations. We report polarization modulation measurements performed at 150 GHz, showing a polarization efficiency >99% (68% C.L.) and a median cross-polarization χPol of 0.12%, with 71% of detectors showing a χPol + 2σ upper limit <1%, measured using selected detectors that had the best signal-to-noise ratio.

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Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

QUBIC VI: Cryogenic half wave plate rotator, design and performance

D’Alessandro¹,

Mele²,

Columbro³

et al. 2022

J. Cosmol. Astropart. Phys.

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“…Tuve la suerte de coincidir con la etapa en la que el demostrador tecnológico de QUBIC comenzó su calibración en el laboratorio APC de París y luego en Argentina, lo cual me permitió trabajar con datos reales. El trabajo presentado en esta Tesis fue realizado en estrecha colaboración con Louise Mousset, y publicado en "QUBIC II: Spectral polarimetry with bolometric interferometer" [1]. Además participé de simulaciones y discusiones volcadas en los artículos "QUBIC I: Overview and science program" [2] y "QUBIC III: Laboratory characterization" [3].…”

Section: Prefaciounclassified

“…En los últimos años ha crecido considerablemente la cantidad de datos para analizar a partir del avance tecnológico y el desarrollo de nuevas técnicas de observación. En esta sección resumimos el marco teórico y cosmológico del modelo estándar incluyendo la inflación, la evolución de las 1 Actualmente dicha ley se la denomina como Ley de Hubble-Lemaître, nombre adoptado por la Asamblea de la UAI en 2018 (https://www.iau.org/static/resolutions/IAU2018_ResolB4_English.pdf) 2 El primer cálculo del fondo de radiación lo realizaron en 1948 Ralph Alpher y Robert Hernan en [14]. 3 Ver la colección especial de la Universidad de Cambriedge: https://www.joh.cam.ac.uk/library/special_ collections/hoyle/exhibition/radio/ perturbaciones primordiales, la formación de la superficie de última dispersión y cómo son afectados los fotones desde que comienzan a viajar libremente por el espacio hasta que llegan a nuestros ojos.…”

Section: El Modelo De Big Bangunclassified

“…Un interferómetro bolométrico es un instrumento que observa en el rango de frecuencias submilimétrico y milimétrico y está basado en el interferómetro de Fizeau [77]. 1 Un conjunto de pupilas o elementos de interferometría (EI) son utilizados en el frente del instrumento para seleccionar líneas de base. El patrón de interferencia resultante crea una imagen en un plano focal repleto de un arreglo de bolómetros.…”

Section: Breve Descripción Del Instrumentounclassified

“…Hubble encontró una relación similar de forma independiente y por ello se lo conoce como Ley de Hubble. 1 El trabajo de Lemaître pasó desapercibido entre los colegas del momento, incluso para su mentor Eddington, incluyendo a Einstein quien, en la conferencia 1927 Solvay Conference aceptó las matemáticas pero no el resultado físico de que el Universo se expandía (ver [7] y referencias internas). Para este trabajo Hubble utilizó la relación encontrada por la astrónoma estadounidense Henrietta Leavitt en 1912 para las estrellas variables Cepheidas conocida como relación período-luminosidad [10].…”

Section: Introducción Histórica Al Modelo Estándarunclassified

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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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Spectral Engineering for Optimal Signal Performance in the Microwave SQUID Multiplexer

Salum,

García Redondo,

Ferreyro

et al. 2024

J Low Temp Phys

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We describe a technique to optimize the dynamic performance of microwave SQUID multiplexer (µMUX)-based systems. These systems proved to be adequate for reading out multiple cryogenic detectors simultaneously. However, the requirement for denser detector arrays to increase the sensitivity of scientific experiments makes its design a challenge. When modifying the readout power, there is a trade-off between decreasing the signal-to-noise ratio (SNR) and boosting the nonlinearities of the active devices. The latter is characterized by the spurious free dynamic range (SFDR) parameter and manifests as an increment in the intermodulation products and harmonics power. We estimate the optimal spectral location of the SQUID signal containing the detector information for different channels. Through the technique, what we refer to as Spectral Engineering, it is possible to minimize the SNR degradation while maximizing the SFDR of the detector signal, thus, overcoming the trade-off.

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QUBIC II: Spectral polarimetry with bolometric interferometry

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QUBIC VI: Cryogenic half wave plate rotator, design and performance

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

Spectral Engineering for Optimal Signal Performance in the Microwave SQUID Multiplexer

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