Caractérisation et commissioning de l'instrument QUBIC dédié à l'observation de la polarisation du rayonnement fossile

Characterization and commissioning of the QUBIC instrument dedicated to the study of the cosmic microwave background polarization

• Auteur / Autrice : Guillaume Stankowiak
• Direction : Michel Piat, Jean-Christophe Hamilton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 31/03/2022
• Etablissement(s) : Université 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 : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Simona Mei
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Simona Mei, Mohamed Faouzi Boussaha, Frédérique Gadot, Martina Wiedner, Arnaud Cuisset
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Faouzi Boussaha, Frédérique Gadot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés à la demande

Fond diffus cosmologique

Bolomètres

Cosmologie

Mots clés libres

Cosmologie

Bolomètre

CMB

TES SQUID

ASIC

TDM

Cosmology

Bolometer

CMB

TES SQUID

ASIC

TDM

Résumé

Le fond diffus cosmologique (ou CMB, Cosmic Microwave Background) est le témoin électromagnétique des prémices de l’Univers présent aujourd’hui. Grâce a celui-ci les astrophysiciens observent, interprètent et collectent des informations afin de comprendre l’un des plus grands mystère de notre époque: comment est né notre Univers ? A bien des égards ce derniers nous as déjà livré nombres d’informations à son sujet de sa "simple" existence jusqu’à ces anistropies de températures nous permettant de sonder encore plus les débuts de notre Univers. Le nouveau défi de la cosmologie aujourd’hui est de caractériser finement la polarisation du CMB. Bien que l’on ai déjà détecté les modes E, issu des fluctuations de densité, les modes B provenant des ondes gravitationnelles primordiales sont toujours une source de questionnement de par leur faible niveau attendu. C’est dans ce contexte que la collaboration QUBIC (Q & U Bolometric Interferometer for Cosmology) vit le jour. Ce télescope dédié à l’étude de la polarisation du fond diffus cosmologique, fait office de nouveauté dans le domaine car il allie la maîtrise de l’interférométrie à la sensibilité des bolomètres refroidis aux très basses températures. Le Démonstrateur technique (TD) de QUBIC vise à démontrer la faisabilité de la combinaison de l’interférométrie et de la détection bolométrique. Le système de lecture électronique est basé sur une matrice de 128 bolomètres supraconducteurs (ou TES, Transition Edge Sensor) en NbSi refroidis à 350 mK et lus par 128 SQUIDs à 1 K contrôlés et amplifiés par un ASIC à 40 K. Cette conception de lecture permet de créer un multiplexage temporel de 128:1 dans le domaine temporel. Le démonstrateur technique a subi plusieurs campagnes de tests en laboratoire à l’APC puis a été envoyé à Salta en Argentine afin d’y subir une campagne de tests avant d’être déployé sur son site d’observation. L’évaluation des bolomètres de QUBIC et de l’électronique de lecture comprend la mesure des courbes I-V, de la constante de temps et de la puissance équivalente de bruit. Aujourd’hui cette puissance vaut environ 2.10−16 W/√Hz. Cette thèse rend compte des travaux que j’ai effectué lors de l’intégration et de l’optimisation de la chaîne de lecture ainsi que de l’envoie du télescope en Argentine et de son intégration sur place.

The cosmic microwave background (CMB) is the only electromagnetic witness of the beginnings of the Universe present today. Thanks to this one, astrophysicists observe, interpret and collect information in order to understand one of the biggest mystery of our time: how was born our Universe? In many respects, the latter has already given us a lot of information about its "simple" existence up to its temperature anisotropies allowing us to probe even more the beginnings of our Universe. The new challenge of cosmology today is to precisely characterize the polarization of the CMB. Although we have already detected the E-modes coming form density fluctuations, the B-modes created by primordial gravitational waves are still a source of questioning by their expected weak signals. It is in this context that the QUBIC (Q & U Bolometric Interferometer for Cosmology) collaboration was born. This telescope dedicated to the study of the CMB polarization, is a novelty in the field because it combines low systematic effects of interferometry with the sensitivity of bolometers cooled to very low temperatures. The Technological Demonstrator (TD) aims to show the feasibility of combining interferometry and bolometric detection. The electronic readout system is based on an array of 128 NbSi transition edge detectors (TES) cooled to 350 mK and readout by 128 SQUIDs at 1 K controlled and amplified by an ASIC at 40 K. This readout design creates 128:1 time-domain multiplexing. The technical demonstrator underwent a laboratory test campaign at APC and then was sent to Salta, Argentina for a second test campaign before being deployed at its observation site. Evaluation of the QUBIC bolometers and readout electronics includes measurement of the I-V curves, time constant and noise equivalent power. Today this sensitivity is about 2.10−16 W/√Hz. This thesis reports on the work I did during the integration and optimization of the readout chain as well as the shipping of the telescope to Argentina and its integration on site.