This paper characterizes the effective beams, the effective beam window functions and the associated errors for the Planck High Frequency Instrument (HFI) detectors. The effective beam is theangular response including the effect of the optics, detectors, data processing and the scan strategy. The window function is the representation of this beam in the harmonic domain which is required to recover an unbiased measurement of the cosmic microwave background angular power spectrum. The HFI is a scanning instrument and its effective beams are the convolution of: a) the optical response of the telescope and feeds; b) the processing of the time-ordered data and deconvolution of the bolometric and electronic transfer function; and c) the merging of several surveys to produce maps. The time response transfer functions are measured using observations of Jupiter and Saturn and by minimizing survey difference residuals. The scanning beam is the post-deconvolution angular response of the instrument, and is characterized with observations of Mars. The main beam solid angles are determined to better than 0.5% at each HFI frequency band. Observations of Jupiter and Saturn limit near sidelobes (within 5°) to about 0.1% of the total solid angle. Time response residuals remain as long tails in the scanning beams, but contribute less than 0.1% of the total solid angle. The bias and uncertainty in the beam products are estimated using ensembles of simulated planet observations that include the impact of instrumental noise and known systematic effects. The correlation structure of these ensembles is well-described by five error eigenmodes that are sub-dominant to sample variance and instrumental noise in the harmonic domain. A suite of consistency tests provide confidence that the error model represents a sufficient description of the data. The total error in the effective beam window functions is below 1% at 100 GHz up to multipole ℓ ~ 1500, and below 0.5% at 143 and 217 GHz up to ℓ ~ 2000.

This overview paper describes the legacy prospect and discovery potential of the Dark Energy Survey (DES) beyond cosmological studies, illustrating it with examples from the DES early data.DES is using a wide-field camera (DECam) on the 4 m Blanco Telescope in Chile to image 5000 sq deg of the sky in five filters (grizY).

We present measurements of anisotropy in the cosmic microwave background (CMB) from the first season of observations with the Degree Angular Scale Interferometer (DASI). The instrument was deployed at the South Pole in the austral summer 1999-2000, and we made observations throughout the following austral winter. We present a measurement of the CMB angular power spectrum in the range 100 < l < 900 in nine bands with fractional uncertainties in the range 10%-20% and dominated by sample variance. In this paper, we review the formalism used in the analysis, in particular the use of constraint matrices to project out contaminants such as ground and point source signals and to test for correlations with diffuse foreground templates. We find no evidence of foregrounds other than point sources in the data, and we find a maximum likelihood temperature spectral index β = -0.1 ± 0.2 (1 σ), consistent with CMB. We detect a first peak in the power spectrum at l ~ 200, in agreement with previous experiments. In addition, we detect a peak in the power spectrum at l ~ 550 and power of similar magnitude at l ~ 800, which are consistent with the second and third harmonic peaks predicted by adiabatic inflationary cosmological models.

We report the detection of polarized anisotropy in the Cosmic Microwave Background radiation with the Degree Angular Scale Interferometer (DASI), located at the Amundsen-Scott South Pole research station. Observations in all four Stokes parameters were obtained within two 3.4 FWHM fields separated by one hour in Right Ascension. The fields were selected from the subset of fields observed with DASI in 2000 in which no point sources were detected and are located in regions of low Galactic synchrotron and dust emission. The temperature angular power spectrum is consistent with previous measurements and its measured frequency spectral index is -0.01 (-0.16 -- 0.14 at 68% confidence), where 0 corresponds to a 2.73 K Planck spectrum. The power spectrum of the detected polarization is consistent with theoretical predictions based on the interpretation of CMB anisotropy as arising from primordial scalar adiabatic fluctuations. Specifically, E-mode polarization is detected at high confidence (4.9 sigma). Assuming a shape for the power spectrum consistent with previous temperature measurements, the level found for the E-mode polarization is 0.80 (0.56 -- 1.10), where the predicted level given previous temperature data is 0.9 -- 1.1. At 95% confidence, an upper limit of 0.59 is set to the level of B-mode polarization with the same shape and normalization as the E-mode spectrum. The TE correlation of the temperature and E-mode polarization is detected at 95% confidence, and also found to be consistent with predictions. These results provide strong validation of the underlying theoretical framework for the origin of CMB anisotropy and lend confidence to the values of the cosmological parameters that have been derived from CMB measurements.

The South Pole Telescope (SPT) is a 10 m diameter, wide-field, offset Gregorian telescope with a 966 pixel, multicolor, millimeter-wave, bolometer camera. It is located at the Amundsen-Scott South Pole station in Antarctica. The design of the SPT emphasizes careful control of spillover and scattering, to minimize noise and false signals due to ground pickup. The key initial project is a large-area survey at wavelengths of 3, 2, and 1.3 mm, to detect clusters of galaxies via the Sunyaev-Zel'dovich effect and to measure the small-scale angular power spectrum of the cosmic microwave background (CMB). The data will be used to characterize the primordial matter power spectrum and to place constraints on the equation of state of dark energy. A second-generation camera will measure the polarization of the CMB, potentially leading to constraints on the neutrino mass and the energy scale of inflation.

We present a catalog of galaxy clusters selected via their Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effect signature from 2500 deg$^2$ of South Pole Telescope (SPT) data. This work represents the complete sample of clusters detected at high significance in the 2500-square-degree SPT-SZ survey, which was completed in 2011. A total of 677 (409) cluster candidates are identified above a signal-to-noise threshold of $\xi$ =4.5 (5.0). Ground- and space-based optical and near-infrared (NIR) imaging confirms overdensities of similarly colored galaxies in the direction of 516 (or 76%) of the $\xi$>4.5 candidates and 387 (or 95%) of the $\xi$>5 candidates; the measured purity is consistent with expectations from simulations. Of these confirmed clusters, 415 were first identified in SPT data, including 251 new discoveries reported in this work. We estimate photometric redshifts for all candidates with identified optical and/or NIR counterparts; we additionally report redshifts derived from spectroscopic observations for 141 of these systems. The mass threshold of the catalog is roughly independent of redshift above $z$~0.25 leading to a sample of massive clusters that extends to high redshift. The median mass of the sample is $M_{\scriptsize 500c}(\rho_\mathrm{crit})$ ~ 3.5 x 10$^{14} M_\odot h^{-1}$, the median redshift is $z_{med}$ =0.55, and the highest-redshift systems are at $z$>1.4. The combination of large redshift extent, clean selection, and high typical mass makes this cluster sample of particular interest for cosmological analyses and studies of cluster formation and evolution.

We present a measurement of the angular power spectrum of the cosmic microwave background (CMB) using data from the South Pole Telescope (SPT). The data consist of 790 deg2 of sky observed at 150 GHz during 2008 and 2009. Here we present the power spectrum over the multipole range 650 < ℓ < 3000, where it is dominated by primary CMB anisotropy. We combine this power spectrum with the power spectra from the seven-year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) data release to constrain cosmological models. We find that the SPT and WMAP data are consistent with each other and, when combined, are well fit by a spatially flat, ΛCDM cosmological model. The SPT+WMAP constraint on the spectral index of scalar fluctuations is ns = 0.9663 ± 0.0112. We detect, at ∼5σ significance, the effect of gravitational lensing on the CMB power spectrum, and find its amplitude to be consistent with the ΛCDM cosmological model. We explore a number of extensions beyond the ΛCDM model. Each extension is tested independently, although there are degeneracies between some of the extension parameters. We constrain the tensor-to-scalar ratio to be r < 0.21 (95% CL) and constrain the running of the scalar spectral index to be dns/dln k = −0.024 ± 0.013. We strongly detect the effects of primordial helium and neutrinos on the CMB; a model without helium is rejected at 7.7σ, while a model without neutrinos is rejected at 7.5σ. The primordial helium abundance is measured to be Yp = 0.296 ± 0.030, and the effective number of relativistic species is measured to be Neff = 3.85 ± 0.62. The constraints on these models are strengthened when the CMB data are combined with measurements of the Hubble constant and the baryon acoustic oscillation feature. Notable improvements include ns = 0.9668 ± 0.0093, r < 0.17 (95% CL), and Neff = 3.86 ± 0.42. The SPT+WMAP data show a mild preference for low power in the CMB damping tail, and while this preference may be accommodated by models that have a negative spectral running, a high primordial helium abundance, or a high effective number of relativistic species, such models are disfavored by the abundance of low-redshift galaxy clusters.

LiteBIRD is a next-generation satellite mission to measure the polarization of the cosmic microwave background (CMB) radiation. On large angular scales the B-mode polarization of the CMB carries the imprint of primordial gravitational waves, and its precise measurement would provide a powerful probe of the epoch of inflation. The goal of LiteBIRD is to achieve a measurement of the characterizing tensor to scalar ratio $$r$$ to an uncertainty of $$\delta r=0.001$$ . In order to achieve this goal we will employ a kilo-pixel superconducting detector array on a cryogenically cooled sub-Kelvin focal plane with an optical system at a temperature of 4 K. We are currently considering two detector array options; transition edge sensor (TES) bolometers and microwave kinetic inductance detectors. In this paper we give an overview of LiteBIRD and describe a TES-based polarimeter designed to achieve the target sensitivity of 2 $$\upmu $$ K arcmin over the frequency range 50–320 GHz.

We describe the design of a new polarization sensitive receiver, SPT-3G, for the 10-meter South Pole Telescope (SPT). The SPT-3G receiver will deliver a factor of ~20 improvement in mapping speed over the current receiver, SPTpol. The sensitivity of the SPT-3G receiver will enable the advance from statistical detection of B-mode polarization anisotropy power to high signal-to-noise measurements of the individual modes, i.e., maps. This will lead to precise (~0.06 eV) constraints on the sum of neutrino masses with the potential to directly address the neutrino mass hierarchy. It will allow a separation of the lensing and inflationary B-mode power spectra, improving constraints on the amplitude and shape of the primordial signal, either through SPT-3G data alone or in combination with BICEP-2/KECK, which is observing the same area of sky. The measurement of small-scale temperature anisotropy will provide new constraints on the epoch of reionization. Additional science from the SPT-3G survey will be significantly enhanced by the synergy with the ongoing optical Dark Energy Survey (DES), including: a 1% constraint on the bias of optical tracers of large-scale structure, a measurement of the differential Doppler signal from pairs of galaxy clusters that will test General Relativity on ~200 Mpc scales, and improved cosmological constraints from the abundance of clusters of galaxies.

We present a measurement of the cosmic microwave background (CMB) temperature power spectrum using data from the recently completed South Pole Telescope Sunyaev–Zel'dovich (SPT-SZ) survey. This measurement is made from observations of 2540 deg2 of sky with arcminute resolution at 150 GHz, and improves upon previous measurements using the SPT by tripling the sky area. We report CMB temperature anisotropy power over the multipole range 650 < ℓ < 3000. We fit the SPT bandpowers, combined with the 7 yr Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP7) data, with a six-parameter ΛCDM cosmological model and find that the two datasets are consistent and well fit by the model. Adding SPT measurements significantly improves ΛCDM parameter constraints; in particular, the constraint on θs tightens by a factor of 2.7. The impact of gravitational lensing is detected at 8.1σ, the most significant detection to date. This sensitivity of the SPT+WMAP7 data to lensing by large-scale structure at low redshifts allows us to constrain the mean curvature of the observable universe with CMB data alone to be . Using the SPT+WMAP7 data, we measure the spectral index of scalar fluctuations to be ns = 0.9623 ± 0.0097 in the ΛCDM model, a 3.9σ preference for a scale-dependent spectrum with ns < 1. The SPT measurement of the CMB damping tail helps break the degeneracy that exists between the tensor-to-scalar ratio r and ns in large-scale CMB measurements, leading to an upper limit of r < 0.18 (95% C.L.) in the ΛCDM+r model. Adding low-redshift measurements of the Hubble constant (H0) and the baryon acoustic oscillation (BAO) feature to the SPT+WMAP7 data leads to further improvements. The combination of SPT+WMAP7+H0+BAO constrains ns = 0.9538 ± 0.0081 in the ΛCDM model, a 5.7σ detection of ns < 1, and places an upper limit of r < 0.11 (95% C.L.) in the ΛCDM+r model. These new constraints on ns and r have significant implications for our understanding of inflation, which we discuss in the context of selected single-field inflation models.