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.

The MiniBooNE Collaboration reports first results of a search for nu e appearance in a nu mu beam. With two largely independent analyses, we observe no significant excess of events above the background for reconstructed neutrino energies above 475 MeV. The data are consistent with no oscillations within a two-neutrino appearance-only oscillation model.

A high-statistics sample of charged-current muon neutrino scattering events collected with the MiniBooNE experiment is analyzed to extract the first measurement of the double differential cross section ($\frac{d^2\sigma}{dT_\mu d\cos\theta_\mu}$) for charged-current quasielastic (CCQE) scattering on carbon. This result features minimal model dependence and provides the most complete information on this process to date. With the assumption of CCQE scattering, the absolute cross section as a function of neutrino energy ($\sigma[E_\nu]$) and the single differential cross section ($\frac{d\sigma}{dQ^2}$) are extracted to facilitate comparison with previous measurements. These quantities may be used to characterize an effective axial-vector form factor of the nucleon and to improve the modeling of low-energy neutrino interactions on nuclear targets. The results are relevant for experiments searching for neutrino oscillations.

The MiniBooNE Collaboration observes unexplained electronlike events in the reconstructed neutrino energy range from 200 to 475 MeV. With $6.46\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{20}$ protons on target, 544 electronlike events are observed in this energy range, compared to an expectation of $415.2\ifmmode\pm\else\textpm\fi{}43.4$ events, corresponding to an excess of $128.8\ifmmode\pm\else\textpm\fi{}20.4\ifmmode\pm\else\textpm\fi{}38.3$ events. The shape of the excess in several kinematic variables is consistent with being due to either ${\ensuremath{\nu}}_{e}$ and ${\overline{\ensuremath{\nu}}}_{e}$ charged-current scattering or ${\ensuremath{\nu}}_{\ensuremath{\mu}}$ neutral-current scattering with a photon in the final state. No significant excess of events is observed in the reconstructed neutrino energy range from 475 to 1250 MeV, where 408 events are observed compared to an expectation of $385.9\ifmmode\pm\else\textpm\fi{}35.7$ events.

The Booster Neutrino Experiment (MiniBooNE) searches for numu-to-nue oscillations using the O(1 GeV) neutrino beam produced by the Booster synchrotron at the Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL). The Booster delivers protons with 8 GeV kinetic energy (8.89 GeV/c momentum) to a beryllium target, producing neutrinos from the decay of secondary particles in the beam line. We describe the Monte Carlo simulation methods used to estimate the flux of neutrinos from the beamline incident on the MiniBooNE detector for both polarities of the focussing horn. The simulation uses the Geant4 framework for propagating particles, accounting for electromagnetic processes and hadronic interactions in the beamline materials, as well as the decay of particles. The absolute double differential cross sections of pion and kaon production in the simulation have been tuned to match external measurements, as have the hadronic cross sections for nucleons and pions. The statistical precision of the flux predictions is enhanced through reweighting and resampling techniques. Systematic errors in the flux estimation have been determined by varying parameters within their uncertainties, accounting for correlations where appropriate.

Abstract The Simons Observatory will map the temperature and polarization over half of the sky at millimeter wavelengths in six spectral bands from the Atacama Desert in Chile. These data will provide new insights into the genesis, content, and history of our Universe, the astrophysics of galaxies and galaxy clusters, objects in our solar system, and time-varying astrophysical phenomena. This ambitious new instrument suite, initially comprising three 0.5 m diameter small aperture telescopes and one 6 m diameter large aperture telescope, is designed using a common combination of new technologies and new implementations to realize an observatory significantly more sensitive than the previous generation. In this paper, we present the predeployment performance of the first mid-frequency “optics tube,” which will be fielded on the large aperture telescope with sensitivity to the 90 and 150 GHz spectral bands. This optics tube contains lenses, filters, detectors, and readout components, all of which operate at cryogenic temperatures. It is one of seven that form the core of the large aperture telescope receiver in its initial deployment. We describe this optics tube, including details of comprehensive testing methods, new techniques for beam and passband characterization, and its measured performance. The performance metrics include beams, optical efficiency, passbands, and forecasts for the on-sky performance of the system. We forecast a sensitivity that exceeds the requirements of the large aperture telescope with greater than 30% margin in each spectral band and predict that the instrument will realize diffraction-limited performance and the expected detector passbands.