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QUBIC - Présentation

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QUBIC: a Q&U Bolometric Interferometer for Cosmology

Qubic est une expérience de cosmologie destinée à mesurer la polarisation des fluctuations du fond diffus micro-ondes (CMB). Il s'agit d'une collaboration internationale rassemblant la France, l'Italie, le Royaume-Uni et les États-Unis, résultant de la fusion des collaborations BRAIN et MBI. L'instrument de Qubic est un interféromètre bolométrique, technologie nouvelle qui est une altermative prometteuse à l'imagerie directe. un premier module de l'instrument définitif devrait être installé en 2011 dans la station antarctique franco-italienne du Dôme C.

 

La science avec Qubic

 

Le CMB

 

Le fond diffus micro-ondes est un rayonnement relique résultant du découplage des photons du reste de la matière, 380 000 ans après le big bang. Sa découverte en 1965, ainsi que la découverte en 1992 de minuscules fluctuations de température, sont parmi les découvertes scientifiques majeures du XX° siècle. L'étude de ces fluctuations a ouvert une ère de cosmologie de précision permettant une compréhension plus profonde de l'histoire et des principaux traits de l'univers. La mesure précise de la polarisation du CMB est la prochaine frontière. La partie linéaire de la polarisation peut se décomposer mathématiquement en deux modes, dits mode E et mode B. Le mode E est dominant et il fut détecté pour la première fois en 2002 par l'interféromètre DASI. La mesure précise de son spectre par des instruments comme le satellite Planck permettra, par exemple, de sonder l'histoire de l'ionisation de l'univers.

 

La recherche du mode B

 

La détection du mode B peut apporter une information directe sur l'époque de l'inflation, car ce mode ne peut être engendré que par des fluctuations tensorielles venant d'ondes gravitationnelles primordiales amplifiées par l'inflation. De plus, il semble que la plupart des modèles d'inflation dans le contexte de la théorie des cordes (inflation branaire par exemple) prédisent un rapport tenseur/scalaire indétectable. La découverte d'un mode B réfuterait alors de nombreuses variantes de la théorie des cordes. Les meilleures contraintes actuelles sur le rapport tenseur/scalaire viennent des mesures de l'expérience WMAP-5 (r<0.43 à 95% de niveau de confiance à partir du spectre de température) et de l'expérience BICEP (r<0.73 à partir de mesures de polarisation).

 

L'interférométrie bolométrique

 

La faiblesse du mode B exige une expérience extrêmement sensible avec un contrôle très précis des erreurs systématiques. La majorité des expériences ou des projets dédiés à cette recherche emploie la méthode bien connue de l'imagerie directe qui permet d'atteindre la sensibilité requise avec de grandes matrices de bolomètres à large bande. Les erreurs systématiques demeurent cependant le facteur limitant cette technologie. Parmi les sources les plus graves d'erreurs systématiques, citons celles induites par le télescope lui-même (faisceau, angles de polarisation, émissions du sol), celles dues au fait de devoir mesurer une différence entre détecteurs (erreurs d'intercalibration), et celles dues à la variation de l'atmosphère au cours du temps.

Alors que les imageurs établissent une carte du CMB, les interféromètres mesurent directement les composantes de Fourier des paramètres de Stokes. Ils sont donc en principe moins sensibles aux erreurs systématiques: pas d'optique, pas de différentiation entre détecteurs pour obtenir la polarisation, variations temporelles de l'atmosphère automatiquement soustraites). Cependant l'interférométrie hétérodyne classique a probablement atteint ses limites en termes d'échelle et de sensibilité (bruit d'amplification, faible bande passante, complexité matérielle restreignant le nombre de canaux). L'interférométrie bolométrique pourrait combiner les avantages de l'interférométrie pour la réduction des erreurs systématiques et ceux des bolomètres en termes de sensibilité. Qubic sera le premier instrument dédié à la recherche des modes B et basé sur cette technologie.

 

L'instrument Qubic

 

Le concept d'interférométrie bolométrique

 

Les bolomètres ne voient pas directement le ciel mais la figure d'interférence produite par une série de cornets. Le signal collecté par chaque cornet est séparé en deux composantes polarisées orthogonales, l'une des composantes est tournée de 90° de sorte qu'elles puissent interférer et le déphasage de chaque signal est modulé. Les signaux de tous les canaux sont combinés pour former les figures d'interférence, puis envoyés sur une matrice de bolomètres. L'interférométrie bolométrique est une interférométrie additive, ce qui implique que les visibilités, les transformées de Fourier du signal du ciel, doivent être isolées dans le signal total de sortie des bolomètres. C'est le but de la modulation des déphasages. La difficulté est de séparer les 2N(N-1) visibilités complexes correspondant aux 2 polarisations pour toutes les paires de N cornets primaires (une telle paire est appelée une ligne de base en interférométrie).

 

Le Quasi-Optical Combiner

 

Le but du Quasi-Optical Combiner est d'additionner une fraction du signal venant de chacun des 2N cornets secondaires. On peut le considérer comme un télescope logé dans le cryostat, la matrice de bolomètres se trouvant dans son plan focal: tous les rayons parallèles réémis par les cornets secondaires dans la même direction atteignent la matrice de bolomètres au même pixel. Les déphasages géométriques additionnels créent les figures d'interférence.

Conception de QUBIC

La reconstruction des visibilités

 

Les visibilités sont reconstruites (indépendamment pour chaque bolomètre) en résolvant un problème linéaire sont les coefficients dépendent de la modulation des déphasages. Il a été démontré (Charlassier et al. 2008) que ces séquences doivent respecter un plan de déphasage particulier que nous appelons "sommation cohérente de lignes de base équivalentes", plan amélioré par la suite (Hyland et al. 2008).

 

La sensibilité

 

Nous avons démontré (Hamilton et al. 2008) qu'un détecteur ayant les caractériqtiques de Qubic sera compétitif face aux expériences d'imagerie et d'interférométrie hétérodyne pour la mesure du mode B du CMB. Un interféromètre bolométrique semble être deux fois moins sensible qu'un imageur disposant du même nombre de cornets, mais cela semble le prix à payer pour réduire les erreurs systématiques.

 

Validation expérimentale

 

Le principe de fonctionnement de l'interférométrie bolométrique a été démontré par l'expérience DIBO (Ghribi et al. 2009). Le prototype MBI-4, dont la conception est très proche de l'un des premiers modules de Qubic, a validé le principe de l'interférométrie bolométrique avec le Quasi-Optical Combiner (Tucker et al. 2008).

 

Les caractéristiques de l'instrument

 

La configuration de Qubic peut encore évoluer, mais une possibilité typique serait la suivante: 6 modules munis chacun de 144 cornets d'entrée (soit près de 10000 lignes de base) et 288 cornets secondaires dans une disposition carrée compacte, et un plan focal doté d'environ 900 senseurs Transition Edge. Les faisceaux primaires couvriraient environ 14°. Pour contrôler la contamination par les avant-plans, nous utiliserions 3 bandes de fréquences, à 90, 150 et 220 GHz, avec une bande passante de 25%. La cryogénie utiliserait un tube à 4K pour chaque module, et une unité à dilution pour le plan focal (à 100-300 mK). L'éventail des multipôles irait de 25 à 200. Pareil instrument permettrait d'atteindre un rapport tenseur/scalaire de 0.01 en un an de fonctionnement continu au Dôme C en Antarctique.

 

La collaboration Qubic

 

Qubic est une collaboration internationale rassemblant des universités et des laboratoires de France, d'Italie, du Royaume-Uni et des États-Unis:

  • APC Paris, France
  • IAS Orsay, France
  • CSNSM Orsay, France
  • CESR Toulouse, France
  • IUCAA, Pune, Inde
  • Maynooth University, Irlande
  • Universita di Milano-Bicocca, Italie
  • Universita La Sapienza, Roma, Italie
  • University of Manchester, Royaume-Uni
  • Richmond University, USA>
  • Brown University, USA
  • University of Wisconsin, USA

 

Le calendrier de Qubic

 

Calendrier QUBIC