BICEP2 I：在度角尺度上探测到 B 模偏振

(arXiv 摘要删节版) 我们报告了 BICEP2 实验的结果，该实验是一个宇宙微波背景 (CMB) 偏振计，专门设计用于在 $\ell\sim80$ 附近的 B 模功率谱中搜寻暴胀引力波信号。该望远镜包含一个 26 厘米孔径的全冷折射光学系统，配备了一个焦平面，上有 512 个天线耦合的过渡边缘传感器 150 GHz 辐射热测量计，每个的温度灵敏度约为 $300\mu\mathrm{K}_\mathrm{CMB}\sqrt{s}$。BICEP2 于 2010 年至 2012 年期间在南极进行了三个季节的观测。对一个有效面积为 380 平方度的低前景天区进行了观测，在 Stokes $Q$ 和 $U$ 参数上的深度达到 87 nK deg。我们发现，在 $30< \ell< 150$ 范围内，$B$ 模功率超出基于透镜化 $\Lambda$CDM 模型的预期，以 $> 5\sigma$ 的显著性水平与零假设不一致。通过刀切法检验和模拟，我们表明系统污染远小于观测到的超出量。我们还检查了多种极化尘埃发射模型，发现在其默认参数值下，它们预测的功率比观测到的超出信号小约 $(5-10)\times$。然而，这些模型的约束尚不足以排除存在足够明亮的尘埃发射以解释整个超出信号的可能性。通过将 BICEP2 与 BICEP1 实验的 100 GHz 图进行互相关，确认了该超出信号，并发现其谱指数与 CMB 一致，从而在 $1.7\sigma$ 水平上不支持尘埃起源。观测到的 $B$ 模功率谱能很好地由张量 - 标量比 $r=0.20^{+0.07}_{-0.05}$ 的透镜化 $\Lambda$CDM + 张量理论模型拟合，其中 $r=0$ 在 $7.0\sigma$ 水平上被排除。计入前景尘埃的贡献将使该值向下移动，具体幅度将通过未来的数据集得到更好的约束。