Challenges in CMB Lensing Data Analysis and Scientific Exploitation of Current and Future CMB Polarization Experiments
Défis de l’analyse de données du lentillage gravitationnel et de l’exploitation scientifique des expériences, actuelles et futures, d’observation de la polarisation du fond diffus cosmologique
Résumé
Next-generation cosmic microwave background (CMB) measurements will further establish the field of cosmology as a high-precision science and continue opening new frontiers of fundamental physics. Cosmic-variance limited measurements not only of the CMB temperature but also its polarization down to arcminute scales will allow for precise measurements of our cosmological model, which is sensitive to the elusive physics of dark matter, dark energy and neutrinos. Furthermore, a large-scale measurement of B-mode CMB polarization permits a determination of the power of primordial gravitational waves, generated by processes potentially happening in the very early universe at energies close to the scale of the Grand Unified Theory. Entering a new sensitivity regime entails the necessity to improve our physical understanding and analysis methods of astronomical and instrumental systematics.This thesis presents within this context several analyses of potential astronomical and instrumental systematics, primarily focusing on CMB measurements related to weak gravitational lensing. The latter distorts the path of the primary CMB's photons, such that the statistical properties of the measured signal deviate from the primary signal and, hence, has to be accounted for. This thesis describes the underlying physics, analysis methods and applications to current data sets of the POLARBEAR CMB experiment in the context of CMB lensing science.This thesis shows that future high-precision measurements of CMB lensing have to account for the high complexity of this effect, primarily caused by multiple deflections within an evolving, non-linear large-scale structure distribution. Furthermore, the impact of higher-order correlations introduced by galactic foregrounds and CMB lensing when jointly analyzing CMB data sets on both large and small scales is investigated, showing the need for small-scale multi-frequency observations and foreground removal techniques to obtain an unbiased estimate of the tensor-to-scalar ratio.
La prochaine génération de mesures du fond diffus cosmologique (CMB) continuera d’établir le domaine de la cosmologie comme une science de haute précision et ne cessera d’ouvrir de nouvelles frontières en physique fondamentale. Les mesures limitées par la variance cosmique de la température du CMB, mais aussi de sa polarisation jusqu'aux minutes d'arc, permettent des mesures précises de notre modèle cosmologique, qui est sensible à la physique insaisissable de la matière noire, de l'énergie noire et des neutrinos. De plus, une mesure aux grandes échelles de la polarisation CMB, dite “mode B”, permettra de déterminer la puissance des ondes gravitationnelles primordiales, générées par des phénomènes potentiellement présents dans le tout jeune univers, à des échelles d’énergie qui s’approchent de la théorie de grande unification. L'entrée dans un nouveau régime de sensibilité implique la nécessité d'améliorer notre compréhension de la physique et des méthodes d'analyse des effets systématiques astronomiques et instrumentaux.Dans ce contexte, cette thèse présente plusieurs analyses des possibles effets systématiques astronomiques et instrumentaux, principalement centrés sur les mesures CMB dans le cadre du lentillage gravitationnelle faible. Cet effet déforme le trajet des photons primaires du CMB, de sorte que les propriétés statistiques du signal mesuré s'écartent du signal primaire, et il faut donc prendre en compte cette distorsion. Cette thèse décrit la physique fondamentale, les méthodes d'analyse et les applications aux ensembles de données actuels de POLARBEAR, une expérience CMB dans le contexte scientifique des lentilles gravitationnelles.En particulier, cette thèse établit que les futures mesures de haute précision des lentilles gravitationnelles devront prendre en compte la haute complexité de cet effet, principalement causée par des déflexions multiples, induites par une distribution non linéaire des structures à grande échelle en évolution. De plus, l’impact des corrélations d’ordre supérieur, introduites par les avant-plans galactiques et par l’analyse jointe de données aux petites et aux grandes échelles, est étudié. Cette thèse démontre la nécessité d’observations des petites échelles dans plusieurs bandes de fréquences, ainsi que l’utilisation de techniques pour supprimer les avant-plans, afin d’obtenir une estimation sans biais du rapport tenseur-sur-scalaire.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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