Optimisation des projets futurs pour la mesure de la polarisation de fond diffuse cosmologique

Optimization of future projects for the measurement of Cosmic Microwave Background polarization

• Auteur / Autrice : Thuong Duc Hoang
• Direction : Guillaume Patanchon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'Univers
• Date : Soutenance le 17/12/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Rousset
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Patanchon, Gérard Rousset, François Couchot, Giampaolo Pisano, Damien Prêle, Sophie Henrot-Versillé
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : François Couchot, Giampaolo Pisano

Mots clés

Mots clés contrôlés

Observations

Cosmologie

Physique nucléaire -- Instruments

Analyse des données

Polarisation (physique nucléaire)

Fond diffus cosmologique

Mots clés libres

Polarisation du fond diffus cosmologique

Expériences CMB

Analyse de données

Instrumentation

Cosmologie observationnelle

Cosmic Microwave Background polarization

CMB experiments

Data analysis

Instrumentation

Observational cosmology

Résumé

Au cours de ma thèse, mes recherches ont porté sur le développement des projets futurs de mesure de la polarisation du fond diffus cosmologique (CMB) visant à sonder les modes B primordiaux. Pour atteindre cet objectif, il faudra non seulement une sensibilité suffisante des matrices de détecteurs, mais également un contrôle sans précédent de toutes les erreurs systématiques inhérentes aux mesures de polarisation du CMB. Une source importante d’erreur systématique est la non-uniformité ou la non-concordance des filtres passe-bande des différents détecteurs. Cet effet induit des fuites de l’intensité vers la polarisation après l’étalonnage des données. J'ai estimé le niveau de fuite pour une configuration réaliste de la prochaine mission LiteBIRD de la JAXA à l’aide de simulations et montré que l'amplitude de la fuite dépendait de la stratégie de balayage du satellite paramétrée par l'angle de rotation du satellite, l’angle de précession et les vitesses de précession et de rotation. En conclusion de cette étude, j’ai proposé des configurations quasi optimales pour LiteBIRD permettant d’atteindre l’objectif sur le rapport tenseur sur scalaire r. Le biais dû à la fuite des avant-plans dans l’intervalle 2≤l≤10 (bosse de réionisation) est de l’ordre de 5×〖10〗^(-4) et dans l’intervalle 10≤l≤200 (bosse de recombinaison) de l’ordre de 5×〖10〗^(-5). Le deuxième sujet de ma thèse était une étude instrumentale : l’interaction des particules avec une matrice de TES. Pour ce faire, j’ai utilisé le plan focal de l’expérience QUBIC (interféromètre bolométrique Q U pour la cosmologie). Le but de ce travail était de tester le comportement des détecteurs aux rayons cosmiques (tels que les constantes de temps et la diaphonie entre détecteurs). J'ai placé une source radioactive d'américium 241 devant un réseau de 256 TES à l'intérieur d'un cryostat. Lorsque les particules interagissent avec l’un des composants d’un pixel (ex: thermomètre, grille absorbante, substrat), l’énergie déposée provoque une élévation de la température d’un composant et éventuellement celui d’un pixel voisin. Cela pourrait fournir une évaluation de la diaphonie entre pixels. De plus, cette étude nous permet de comprendre les constantes de temps du système de lecture thermique et électronique d'un TES.

During my Ph.D., my research focused on the development of future projects for the measurement of Cosmic Microwave Background (CMB) polarization aimed to probe primordial B mode. Achieving this goal will not only require sufficient detector array sensitivity but also unprecedented control of all systematic errors inherent to CMB polarization measurements. One of the important effects is the bandpass mismatch error which is the effect of non-uniformity or mismatch of the bandpass filters for different detectors inducing leakage from foreground intensity to polarization after calibrating the data on CMB. I estimated the level of the leakage for a realistic configuration of the forthcoming LiteBIRD JAXA mission with simulation and found that the amplitude of leakage depends on the scanning strategy of the satellite parameterized with precession angle, spin angle, precession and rotation velocities. After the study, I proposed some nearly optimal configurations to archive the target of tensor-to-scalar ratio r. The bias from foreground leakage in the range 2≤l≤10 (reionization bump) is of the order of about 5×〖10〗^(-4) and in the range 10≤l≤200 (recombination bump) of the order of about 5×〖10〗^(-5). The second topic of my thesis was an instrumental study: the interaction of particles with a Transition Edge Sensors (TES) array using the focal plane of the ground-based QUBIC (Q U Bolometric Interferometer for Cosmology) experiment. The goal of this work was to test the behaviour of detectors to cosmic rays (such as time-constants and cross-talk). I placed an Americium 241 radioactive source in front of a 256 TESs array inside a cryostat. When particles hit one of the components of a pixel (eg: Thermometer, absorbing grid, substrate), the deposited energy induced temperature elevation among components and possibly to the neighbor pixels. This could provide an evaluation of the cross-talk between pixels. Moreover, this study allows us to understand the thermal and electronic readout system time constants of a TES.