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.

We present constraints on cosmological and astrophysical parameters from high-resolution microwave background maps at 148 GHz and 218 GHz made by the Atacama Cosmology Telescope (ACT) in three seasons of observations from 2008 to 2010. A model of primary cosmological and secondary foreground parameters is fit to the map power spectra and lensing deflection power spectrum, including contributions from both the thermal Sunyaev-Zeldovich (tSZ) effect and the kinematic Sunyaev-Zeldovich (kSZ) effect, Poisson and correlated anisotropy from unresolved infrared sources, radio sources, and the correlation between the tSZ effect and infrared sources. The power ℓ2Cℓ/2π of the thermal SZ power spectrum at 148 GHz is measured to be 3.4±1.4 μK2at ℓ = 3000, while the corresponding amplitude of the kinematic SZ power spectrum has a 95% confidence level upper limit of 8.6 μK2. Combining ACT power spectra with the WMAP 7-year temperature and polarization power spectra, we find excellent consistency with the LCDM model. We constrain the number of effective relativistic degrees of freedom in the early universe to be Neff = 2.79±0.56, in agreement with the canonical value of Neff = 3.046 for three massless neutrinos. We constrain the sum of the neutrino masses to be Σmν < 0.39 eV at 95% confidence when combining ACT and WMAP 7-year data with BAO and Hubble constant measurements. We constrain the amount of primordial helium to be Yp = 0.225±0.034, and measure no variation in the fine structure constant α since recombination, with α/α0 = 1.004±0.005. We also find no evidence for any running of the scalar spectral index, dns/dln k = −0.004±0.012.

We present cosmological parameters derived from the angular power spectrum of the cosmic microwave background (CMB) radiation observed at 148 GHz and 218 GHz over 296 deg2 with the Atacama Cosmology Telescope (ACT) during its 2008 season. ACT measures fluctuations at scales 500 < ℓ < 10, 000. We fit a model for the lensed CMB, Sunyaev–Zel'dovich (SZ), and foreground contribution to the 148 GHz and 218 GHz power spectra, including thermal and kinetic SZ, Poisson power from radio and infrared point sources, and clustered power from infrared point sources. At ℓ = 3000, about half the power at 148 GHz comes from primary CMB after masking bright radio sources. The power from thermal and kinetic SZ is estimated to be , where . The IR Poisson power at 148 GHz is (Cℓ = 5.5 ± 0.5 nK2), and a clustered IR component is required with , assuming an analytic model for its power spectrum shape. At 218 GHz only about 15% of the power, approximately 27 μK2, is CMB anisotropy at ℓ = 3000. The remaining 85% is attributed to IR sources (approximately 50% Poisson and 35% clustered), with spectral index α = 3.69 ± 0.14 for flux scaling as S(ν)∝να. We estimate primary cosmological parameters from the less contaminated 148 GHz spectrum, marginalizing over SZ and source power. The ΛCDM cosmological model is a good fit to the data (χ2/dof = 29/46), and ΛCDM parameters estimated from ACT+Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) are consistent with the seven-year WMAP limits, with scale invariant ns = 1 excluded at 99.7% confidence level (CL) (3σ). A model with no CMB lensing is disfavored at 2.8σ. By measuring the third to seventh acoustic peaks, and probing the Silk damping regime, the ACT data improve limits on cosmological parameters that affect the small-scale CMB power. The ACT data combined with WMAP give a 6σ detection of primordial helium, with YP = 0.313 ± 0.044, and a 4σ detection of relativistic species, assumed to be neutrinos, with Neff = 5.3 ± 1.3 (4.6 ± 0.8 with BAO+H0 data). From the CMB alone the running of the spectral index is constrained to be dns/dln k = −0.034 ± 0.018, the limit on the tensor-to-scalar ratio is r < 0.25 (95% CL), and the possible contribution of Nambu cosmic strings to the power spectrum is constrained to string tension Gμ < 1.6 × 10−7 (95% CL).

We present the temperature and polarization angular power spectra of the CMB measured by the Atacama Cosmology Telescope (ACT) from 5400 deg$^2$ of the 2013-2016 survey, which covers $>$15000 deg$^2$ at 98 and 150 GHz. For this analysis we adopt a blinding strategy to help avoid confirmation bias and, related to this, show numerous checks for systematic error done before unblinding. Using the likelihood for the cosmological analysis we constrain secondary sources of anisotropy and foreground emission, and derive a "CMB-only" spectrum that extends to $\ell=4000$. At large angular scales, foreground emission at 150 GHz is $\sim$1% of TT and EE within our selected regions and consistent with that found by Planck. Using the same likelihood, we obtain the cosmological parameters for $\Lambda$CDM for the ACT data alone with a prior on the optical depth of $\tau=0.065\pm0.015$. $\Lambda$CDM is a good fit. The best-fit model has a reduced $\chi^2$ of 1.07 (PTE=0.07) with $H_0=67.9\pm1.5$ km/s/Mpc. We show that the lensing BB signal is consistent with $\Lambda$CDM and limit the celestial EB polarization angle to $\psi_P =-0.07^{\circ}\pm0.09^{\circ}$. We directly cross correlate ACT with Planck and observe generally good agreement but with some discrepancies in TE. All data on which this analysis is based will be publicly released.

We report the first detection of the gravitational lensing of the cosmic microwave background through a measurement of the four-point correlation function in the temperature maps made by the Atacama Cosmology Telescope. We verify our detection by calculating the levels of potential contaminants and performing a number of null tests. The resulting convergence power spectrum at 2° angular scales measures the amplitude of matter density fluctuations on comoving length scales of around 100 Mpc at redshifts around 0.5 to 3. The measured amplitude of the signal agrees with Lambda cold dark matter cosmology predictions. Since the amplitude of the convergence power spectrum scales as the square of the amplitude of the density fluctuations, the 4σ detection of the lensing signal measures the amplitude of density fluctuations to 12%.

We report on 23 clusters detected blindly as Sunyaev–ZEL'DOVICH (SZ) decrements in a 148 GHz, 455 deg2 map of the southern sky made with data from the Atacama Cosmology Telescope 2008 observing season. All SZ detections announced in this work have confirmed optical counterparts. Ten of the clusters are new discoveries. One newly discovered cluster, ACT-CL J0102−4915, with a redshift of 0.75 (photometric), has an SZ decrement comparable to the most massive systems at lower redshifts. Simulations of the cluster recovery method reproduce the sample purity measured by optical follow-up. In particular, for clusters detected with a signal-to-noise ratio greater than six, simulations are consistent with optical follow-up that demonstrated this subsample is 100% pure. The simulations further imply that the total sample is 80% complete for clusters with mass in excess of 6 × 1014 solar masses referenced to the cluster volume characterized by 500 times the critical density. The Compton y–X-ray luminosity mass comparison for the 11 best-detected clusters visually agrees with both self-similar and non-adiabatic, simulation-derived scaling laws.

This work describes the design and implementation of optics for EXCLAIM, the EXperiment for Cryogenic Large-Aperture Intensity Mapping. EXCLAIM is a balloon-borne telescope that will measure integrated line emission from carbon monoxide at redshifts z &lt; 1 and ionized carbon ([CII]) at redshifts z = 2.5 − 3.5 to probe star formation over cosmic time in cross-correlation with galaxy redshift surveys. The EXCLAIM instrument is designed to observe at frequencies of 420–540 GHz using six microfabricated silicon integrated spectrometers with spectral resolving power R = 512 coupled to kinetic inductance detectors. A completely cryogenic telescope cooled to a temperature below 5 K provides low-background observations between narrow atmospheric lines in the stratosphere. Off-axis reflective optics use a 90-cm primary mirror to provide 4.2′ full-width at half-maximum resolution at the center of the EXCLAIM band over a field of view of 22.5′. Illumination of the 1.7 K cold stop combined with blackened baffling at multiple places in the optical system ensures low (&lt;−40 dB) edge illumination of the primary to minimize spill onto warmer elements at the top of the dewar.

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.