Abstract We estimate the efficiency of mitigating the lensing B -mode polarization, the so-called delensing, for the LiteBIRD experiment with multiple external data sets of lensing-mass tracers. The current best bound on the tensor-to-scalar ratio, r , is limited by lensing rather than Galactic foregrounds. Delensing will be a critical step to improve sensitivity to r as measurements of r become more and more limited by lensing. In this paper, we extend the analysis of the recent LiteBIRD forecast paper to include multiple mass tracers, i.e., the CMB lensing maps from LiteBIRD and CMB-S4-like experiment, cosmic infrared background, and galaxy number density from Euclid - and LSST-like survey. We find that multi-tracer delensing will further improve the constraint on r by about 20%. In LiteBIRD , the residual Galactic foregrounds also significantly contribute to uncertainties of the B -modes, and delensing becomes more important if the residual foregrounds are further reduced by an improved component separation method.

Abstract We explore the capability of measuring lensing signals in LiteBIRD full-sky polarization maps. With a 30 arcmin beam width and an impressively low polarization noise of 2.16 μ K-arcmin, LiteBIRD will be able to measure the full-sky polarization of the cosmic microwave background (CMB) very precisely. This unique sensitivity also enables the reconstruction of a nearly full-sky lensing map using only polarization data, even considering its limited capability to capture small-scale CMB anisotropies. In this paper, we investigate the ability to construct a full-sky lensing measurement in the presence of Galactic foregrounds, finding that several possible biases from Galactic foregrounds should be negligible after component separation by harmonic-space internal linear combination. We find that the signal-to-noise ratio of the lensing is approximately 40 using only polarization data measured over 80% of the sky. This achievement is comparable to Planck 's recent lensing measurement with both temperature and polarization and represents a four-fold improvement over Planck 's polarization-only lensing measurement. The LiteBIRD lensing map will complement the Planck lensing map and provide several opportunities for cross-correlation science, especially in the northern hemisphere.

Abstract We study the possibility of using the LiteBIRD satellite B -mode survey to constrain models of inflation producing specific features in CMB angular power spectra. We explore a particular model example, i.e. spectator axion-SU(2) gauge field inflation. This model can source parity-violating gravitational waves from the amplification of gauge field fluctuations driven by a pseudoscalar “axionlike” field, rolling for a few e-folds during inflation. The sourced gravitational waves can exceed the vacuum contribution at reionization bump scales by about an order of magnitude and can be comparable to the vacuum contribution at recombination bump scales. We argue that a satellite mission with full sky coverage and access to the reionization bump scales is necessary to understand the origin of the primordial gravitational wave signal and distinguish among two production mechanisms: quantum vacuum fluctuations of spacetime and matter sources during inflation. We present the expected constraints on model parameters from LiteBIRD satellite simulations, which complement and expand previous studies in the literature. We find that LiteBIRD will be able to exclude with high significance standard single-field slow-roll models, such as the Starobinsky model, if the true model is the axion-SU(2) model with a feature at CMB scales. We further investigate the possibility of using the parity-violating signature of the model, such as the TB and EB angular power spectra, to disentangle it from the standard single-field slow-roll scenario. We find that most of the discriminating power of LiteBIRD will reside in BB angular power spectra rather than in TB and EB correlations.

Abstract We present detailed forecasts for the constraints on the characteristics of primordial magnetic fields (PMFs) generated prior to recombination that will be obtained with the LiteBIRD satellite. The constraints are driven by some of the main physical effects of PMFs on the CMB anisotropies: the gravitational effects of magnetically-induced perturbations; the effects on the thermal and ionization history of the Universe; the Faraday rotation imprint on the CMB polarization spectra; and the non-Gaussianities induced in polarization anisotropies. LiteBIRD represents a sensitive probe for PMFs. We explore different levels of complexity, for LiteBIRD data and PMF configurations, accounting for possible degeneracies with primordial gravitational waves from inflation. By exploiting all the physical effects, LiteBIRD will be able to improve the current limit on PMFs at intermediate and large scales coming from Planck . In particular, thanks to its accurate B -mode polarization measurement, LiteBIRD will improve the constraints on infrared configurations for the gravitational effect, giving B n B =-2.9 1 Mpc < 0.8 nG at 95% C.L., potentially opening the possibility to detect nanogauss fields with high significance. We also observe a significant improvement in the limits when marginalized over the spectral index, B n B marg 1 Mpc < 2.2 nG at 95 % C.L. From the thermal history effect, which relies mainly on E-mode polarization data, we obtain a significant improvement for all PMF configurations, with the marginalized case, √⟨ B 2 ⟩ marg <0.50 nG at 95 % C.L. Faraday rotation constraints will take advantage of the wide frequency coverage of LiteBIRD and the high sensitivity in B modes, improving the limits by orders of magnitude with respect to current results, B n B =-2.9 1 Mpc < 3.2 nG at 95 % C.L. Finally, non-Gaussianities of the B-mode polarization can probe PMFs at the level of 1 nG, again significantly improving the current bounds from Planck . Altogether our forecasts represent a broad collection of complementary probes based on widely tested methodologies, providing conservative limits on PMF characteristics that will be achieved with the LiteBIRD satellite.

Abstract We present a study of the impact of a beam far side-lobe lack of knowledge on the measurement of the Cosmic Microwave Background B -mode signal at large scale. Beam far side-lobes induce a mismatch in the transfer function of Galactic foregrounds between the dipole and higher multipoles which degrads the performances of component separation methods. This leads to foreground residuals in the CMB map. It is expected to be one of the main source of systematic effects in future CMB polarization observations. Thus, it becomes crucial for all-sky survey missions to take into account the interplays between beam systematic effects and all the data analysis steps. LiteBIRD is the ISAS/JAXA second strategic large-class satellite mission and is dedicated to target the measurement of CMB primordial B modes by reaching a sensitivity on the tensor-to-scalar ratio r of σ ( r ) ≤ 10 -3 assuming r = 0. The primary goal of this paper is to provide the methodology and develop the framework to carry out the end-to-end study of beam far side-lobe effects for a space-borne CMB experiment. We introduce uncertainties in the beam model, and propagate the beam effects through all the steps of the analysis pipeline, most importantly including component separation, up to the cosmological results in the form of a bias δr . As a demonstration of our framework, we derive requirements on the calibration and modeling for the LiteBIRD 's beams under given assumptions on design, simulation, component separation method and allocated error budget. In particular, we assume a parametric method of component separation with no mitigation of the far side-lobes effect at any stage of the analysis pipeline. We show that δr is mostly due to the integrated fractional power difference between the estimated beams and the true beams in the far side-lobes region, with little dependence on the actual shape of the beams, for low enough δr . Under our set of assumptions, in particular considering the specific foreground cleaning method we used, we find that the integrated fractional power in the far side-lobes should be known at the level of ∼ 10 -4 , to achieve the required limit on the bias δr < 1.9 × 10 -5 . The framework and tools developed for this study can be easily adapted to provide requirements under different design, data analysis frameworks and for other future space-borne experiments, such as PICO or CMB-Bharat. We further discuss the limitations of this framework and potential extensions to circumvent them.

Abstract Upcoming Cosmic Microwave Background (CMB) experiments, aimed at measuring primordial CMB polarization B-modes, require exquisite control of instrumental systematics and Galactic foreground contamination. Blind minimum-variance techniques, like the Needlet Internal Linear Combination (NILC), have proven effective in reconstructing the CMB polarization signal and mitigating foregrounds and systematics across diverse sky models without suffering from foreground mismodelling errors. Still, residual foreground contamination from NILC may bias the recovered CMB polarization at large angular scales when confronted with the most complex foreground scenarios. By adding constraints to NILC to deproject statistical moments of the Galactic emission, the Constrained Moment ILC (cMILC) method has been demonstrated to further enhance foreground subtraction, albeit with an associated increase in overall noise variance. Faced with this trade-off between foreground bias reduction and overall variance minimization, there is still no recipe on which moments to deproject and which are better suited for blind variance minimization. To address this, we introduce the optimized cMILC (ocMILC) pipeline, which performs full automated optimization of the required number and set of foreground moments to deproject, pivot parameter values, and deprojection coefficients across the sky and angular scales, depending on the actual sky complexity, available frequency coverage, and experiment sensitivity. The optimal number of moments for deprojection, before paying significant noise penalty, is determined through a data diagnosis inspired by the Generalized NILC (GNILC) method. Validated on B-mode simulations of the PICO space mission concept with four challenging foreground models, ocMILC exhibits lower Galactic foreground contamination compared to NILC and cMILC at all angular scales, with limited noise penalty. This multi-layer optimization enables the ocMILC pipeline to achieve unbiased posteriors of the tensor-to-scalar ratio, regardless of foreground complexity.

Abstract The detection of primordial B modes of the cosmic microwave background (CMB) could provide information about the early stages of the Universe's evolution. The faintness of this signal requires exquisite calibration accuracy and control of instrumental systematic effects which otherwise could bias the measurements. In this work, we study the impact of an imperfect relative polarisation gain calibration on the recovered value of the tensor-to-scalar ratio r for the LiteBIRD experiment, through the application of the blind Needlet Internal Linear Combination (NILC) foreground-cleaning method. We derive requirements on the relative calibration accuracy of the overall polarisation gain (Δ g ν ) for each LiteBIRD frequency channel. Our results show that minimum variance techniques, as NILC, are less sensitive to systematic gain calibration uncertainties compared to a parametric approach, if the latter is not equipped with a proper modelling of these instrumental effects. In this study, the most stringent requirements are found in the channels where the CMB signal is relatively brighter, with the tightest constraints at 166 GHz (Δ g ν ≈ 0.16%). This differs from the outcome of an analogous analysis performed with a parametric method, where the tightest requirements are obtained for the foreground-dominated channels. Gain calibration uncertainties, corresponding to the derived requirements, are then simultaneously propagated into all frequency channels. By doing so, we find that the overall impact on estimated r is lower than the total gain systematic budget for LiteBIRD approximately by a factor 5, due to the correlations of the impacts of gain calibration uncertainties in different frequency channels. In order to decouple the systematic effect from the specific choice of the model, we derive the requirements assuming constant spectral parameters for the foreground emission. To assess the robustness of the obtained results against more realistic scenarios, we repeat the analysis assuming sky models of intermediate and high complexity. In these further cases, we adopt an optimised NILC pipeline, called the Multi-Clustering NILC (MC-NILC). We find that the impact of gain calibration uncertainties on r is lower than the LiteBIRD gain systematics budget for the intermediate-complexity sky model. For the high-complexity case, instead, it would be necessary to tighten the requirements by a factor 1.8.