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Theses Year : 2021

Exploring the primordial universe, inflation and primordial gravitational waves with QUBIC, the Q & U Bolometric Interferometer for Cosmology.

Explorer l'univers primordial, inflation et ondes gravitationnelles primordiales avec QUBIC, le "Q & U Bolometric Interferometer for Cosmology"

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Louise Mousset
  • Function : Author
  • PersonId : 1166608
  • IdRef : 264380142

Abstract

The detection of primordial B-mode polarization in the cosmic microwave background is one of the main targets for observational cosmology today. Their detection would constrain cosmic inflation models, an accelerating expansion phase occurring at the very beginning of the universe. The QUBIC project recently completed the calibration and the validation of the instrument and it has been sent to Argentina. Observation of the sky will begin after another short calibration phase in the laboratory. This instrument relies on an innovative technology, bolometric interferometry, which will be described in detail. Measurement of the extremely weak B-mode signal requires a exquisite control of systematic effects. This is a important advantage of QUBIC thanks to self-calibration, a technique coming from interferometry, and to a specific optical design assuring a minimal cross-polarization. A second challenge for this measurement is the mitigation of astrophysical foregrounds which contaminate the signal of the primordial universe. For this purpose, bolometric interferometry makes spectral imaging possible, i.e. the reconstruction, in post-processing, of sky maps in several frequency sub-bands even though the instrument integrates the signal in a wide band. Knowing that foregrounds have distinct emission spectra, spectral imaging is the key to eliminate these contaminants. This thesis describes a detailed analysis going from the QUBIC instrument through to the estimation of cosmological parameters. I contributed to the assembling and calibration of the instrument, especially in the optical verification of the mirror alignment. An important part of my thesis is dedicated to calibration data taking and data analysis, especially the measurement of interference fringes and the telescope beam, which are compared to optical simulations. Those measurements are a first step for the full self-calibration of the instrument. However, the heart of my thesis is the demonstration that spectral imaging is feasible. This is done through end-to-end simulations covering the simulation of a sky observation with QUBIC to the estimation of cosmological parameters, including the reconstruction of frequency sub-band maps.
La détection des modes B primordiaux de polarisation du fond diffus cosmologique est aujourd'hui l'un des défis majeurs de la cosmologie observationnelle. Leur mesure permettrait de contraindre les modèles d'inflation cosmique, cette phase d'expansion accélérée aux tout premiers instants de l'univers. Le projet QUBIC a terminé la campagne de tests et de validation en France et l'instrument a été envoyé en Argentine. L'observation du ciel débutera après une nouvelle courte campagne de tests en laboratoire. Cet instrument s'appuie sur une technologie particulièrement innovante, l'interférométrie bolométrique dont le principe optique sera décrit en détail. La mesure d'un signal aussi ténu que celui des modes B exige un contrôle des effets systématiques irréprochable. C'est justement ce à quoi QUBIC entend répondre grâce à la possibilité de \textit{self-calibration} propre à l'interférométrie et à un design optique assurant une cross-polarisation minimale. Un deuxième enjeu majeur pour cette mesure est le traitement des avant-plans astrophysiques qui viennent contaminer le signal de l'univers primordial. Pour cela, l'interférométrie bolométrique offre la possibilité de faire de l'imagerie spectrale, c'est-à-dire de reconstruire, en "post-processing", des cartes du ciel dans plusieurs sous-bandes de fréquence alors même que l'intrument intègre le signal dans une large bande. Sachant que les avant-plans se distinguent par leur spectre d'émission, l'imagerie spectrale est la clé pour s'affranchir de ces contaminations. Cette thèse fait le pont entre l'instrument QUBIC et l'estimation des paramètres cosmologiques à partir du signal mesuré. J'ai tout d'abord participé activement à l'assemblage de l'instrument et à son étalonnage, notamment au travers de la vérification optique de l'alignement des miroirs. Aussi, une partie importante de ma thèse a été dédiée à la prise et à l'analyse des données d'étalonnage, notamment à la mesure des franges d'interférence et du lobe du télescope, toujours mises en regard avec des simulations optiques. Ces mesures sont un premier pas vers la "self-calibration" complète de l'instrument. Cependant, le coeur de ma thèse a été de démontrer la faisabilité de l'imagerie spectrale au travers de simulations complètes de la chaine d'analyse, allant de la simulation d'une observation du ciel, jusqu'à l'estimation des paramètres cosmologiques, en passant par la reconstruction des cartes du ciel en sous-bandes de fréquence.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03783687 , version 1 (22-09-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03783687 , version 1

Cite

Louise Mousset. Exploring the primordial universe, inflation and primordial gravitational waves with QUBIC, the Q & U Bolometric Interferometer for Cosmology.. Instrumentation and Methods for Astrophysic [astro-ph.IM]. Université Paris Cité, 2021. English. ⟨NNT : 2021UNIP7133⟩. ⟨tel-03783687⟩
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