The Simons Observatory (SO) is a new cosmic microwave background experiment being built on Cerro Toco in Chile, due to begin observations in the early 2020s. We describe the scientific goals of the experiment, motivate the design, and forecast its performance. SO will measure the temperature and polarization anisotropy of the cosmic microwave background in six frequency bands centered at: 27, 39, 93, 145, 225 and 280 GHz. The initial configuration of SO will have three small-aperture 0.5-m telescopes and one large-aperture 6-m telescope, with a total of 60,000 cryogenic bolometers. Our key science goals are to characterize the primordial perturbations, measure the number of relativistic species and the mass of neutrinos, test for deviations from a cosmological constant, improve our understanding of galaxy evolution, and constrain the duration of reionization. The small aperture telescopes will target the largest angular scales observable from Chile, mapping ≈ 10% of the sky to a white noise level of 2 μK-arcmin in combined 93 and 145 GHz bands, to measure the primordial tensor-to-scalar ratio, r , at a target level of σ( r )=0.003. The large aperture telescope will map ≈ 40% of the sky at arcminute angular resolution to an expected white noise level of 6 μK-arcmin in combined 93 and 145 GHz bands, overlapping with the majority of the Large Synoptic Survey Telescope sky region and partially with the Dark Energy Spectroscopic Instrument. With up to an order of magnitude lower polarization noise than maps from the Planck satellite, the high-resolution sky maps will constrain cosmological parameters derived from the damping tail, gravitational lensing of the microwave background, the primordial bispectrum, and the thermal and kinematic Sunyaev-Zel'dovich effects, and will aid in delensing the large-angle polarization signal to measure the tensor-to-scalar ratio. The survey will also provide a legacy catalog of 16,000 galaxy clusters and more than 20,000 extragalactic sources.

We present new arcminute-resolution maps of the Cosmic Microwave Background temperature and polarization anisotropy from the Atacama Cosmology Telescope, using data taken from 2013-2016 at 98 and 150 GHz. The maps cover more than 17,000 deg$^2$, the deepest 600 deg$^2$ with noise levels below 10 $\mu$K-arcmin. We use the power spectrum derived from almost 6,000 deg$^2$ of these maps to constrain cosmology. The ACT data enable a measurement of the angular scale of features in both the divergence-like polarization and the temperature anisotropy, tracing both the velocity and density at last-scattering. From these one can derive the distance to the last-scattering surface and thus infer the local expansion rate, $H_0$. By combining ACT data with large-scale information from WMAP we measure $H_0 = 67.6 \pm 1.1$ km/s/Mpc, at 68% confidence, in excellent agreement with the independently-measured Planck satellite estimate (from ACT alone we find $H_0 = 67.9 \pm 1.5$ km/s/Mpc). The $\Lambda$CDM model provides a good fit to the ACT data, and we find no evidence for deviations: both the spatial curvature, and the departure from the standard lensing signal in the spectrum, are zero to within 1$\sigma$; the number of relativistic species, the primordial Helium fraction, and the running of the spectral index are consistent with $\Lambda$CDM predictions to within $1.5 - 2.2\sigma$. We compare ACT, WMAP, and Planck at the parameter level and find good consistency; we investigate how the constraints on the correlated spectral index and baryon density parameters readjust when adding CMB large-scale information that ACT does not measure. The DR4 products presented here will be publicly released on the NASA Legacy Archive for Microwave Background Data Analysis.

ABSTRACT Patchy reionization generates kinematic Sunyaev–Zel’dovich (kSZ) anisotropies in the cosmic microwave background (CMB). Large-scale velocity perturbations along the line of sight modulate the small-scale kSZ power spectrum, leading to a trispectrum (or four-point function) in the CMB that depends on the physics of reionization. We investigate the challenges in detecting this trispectrum and use tools developed for CMB lensing, such as realization-dependent bias subtraction and cross-correlation based estimators, to counter uncertainties in the instrumental noise and assumed CMB power spectrum. We also find that both lensing and extragalactic foregrounds can impart larger trispectrum contributions than the reionization kSZ signal. We present a range of mitigation methods for both of these sources of contamination, validated on microwave-sky simulations. We use ACT DR6 and Planck data to calculate an upper limit on the reionization kSZ trispectrum from a measurement dominated by foregrounds. The upper limit is about 50 times the signal predicted from recent simulations.

We present an estimate of the Atacama Cosmology Telescope (ACT) detector polarization angle systematic uncertainty from optics perturbation analysis using polarization-sensitive ray tracing in CODE V optical design software. Uncertainties in polarization angle calibration in CMB measurements can limit constraints on cosmic birefringence and other cosmological parameters sensitive to polarization leakage. Our framework estimates the angle calibration systematic uncertainties from possible displacements in lens positions and orientations, and anti-reflection coating (ARC) thicknesses and refractive indices. With millimeter displacements in lens positions and percent-level perturbations in ARC thicknesses and indices from design, we find the total systematic uncertainty for three ACT detector arrays operating between 90 and 220 GHz to be at the 10th of degree scale. Reduced lens position and orientation uncertainties from physical measurements could lead to a reduction in the systematic uncertainty estimated with the framework presented here. This optical modeling may inform polarization angle systematic uncertainties for current and future microwave polarimeters, such as the CCAT Observatory, Simons Observatory, and CMB-S4.