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 results from an analysis of all data taken by the BICEP2, Keck Array, and BICEP3 CMB polarization experiments up to and including the 2018 observing season. We add additional Keck Array observations at 220 GHz and BICEP3 observations at 95 GHz to the previous 95/150/220 GHz dataset. The Q/U maps now reach depths of 2.8, 2.8, and 8.8 μK_{CMB} arcmin at 95, 150, and 220 GHz, respectively, over an effective area of ≈600 square degrees at 95 GHz and ≈400 square degrees at 150 and 220 GHz. The 220 GHz maps now achieve a signal-to-noise ratio on polarized dust emission exceeding that of Planck at 353 GHz. We take auto- and cross-spectra between these maps and publicly available WMAP and Planck maps at frequencies from 23 to 353 GHz and evaluate the joint likelihood of the spectra versus a multicomponent model of lensed ΛCDM+r+dust+synchrotron+noise. The foreground model has seven parameters, and no longer requires a prior on the frequency spectral index of the dust emission taken from measurements on other regions of the sky. This model is an adequate description of the data at the current noise levels. The likelihood analysis yields the constraint r_{0.05}<0.036 at 95% confidence. Running maximum likelihood search on simulations we obtain unbiased results and find that σ(r)=0.009. These are the strongest constraints to date on primordial gravitational waves.

We present measurements of the $E$-mode ($EE$) polarization power spectrum and temperature-$E$-mode ($TE$) cross-power spectrum of the cosmic microwave background using data collected by SPT-3G, the latest instrument installed on the South Pole Telescope. This analysis uses observations of a $1500\text{ }\text{ }{\mathrm{deg}}^{2}$ region at 95, 150, and 220 GHz taken over a four-month period in 2018. We report binned values of the $EE$ and $TE$ power spectra over the angular multipole range $300\ensuremath{\le}\ensuremath{\ell}<3000$, using the multifrequency data to construct six semi-independent estimates of each power spectrum and their minimum-variance combination. These measurements improve upon the previous results of SPTpol across the multipole ranges $300\ensuremath{\le}\ensuremath{\ell}\ensuremath{\le}1400$ for $EE$ and $300\ensuremath{\le}\ensuremath{\ell}\ensuremath{\le}1700$ for $TE$, resulting in constraints on cosmological parameters comparable to those from other current leading ground-based experiments. We find that the SPT-3G data set is well fit by a $\mathrm{\ensuremath{\Lambda}}\mathrm{CDM}$ cosmological model with parameter constraints consistent with those from Planck and SPTpol data. From SPT-3G data alone, we find ${H}_{0}=68.8\ifmmode\pm\else\textpm\fi{}1.5\text{ }\text{ }\mathrm{km}\text{ }{\mathrm{s}}^{\ensuremath{-}1}\text{ }{\mathrm{Mpc}}^{\ensuremath{-}1}$ and ${\ensuremath{\sigma}}_{8}=0.789\ifmmode\pm\else\textpm\fi{}0.016$, with a gravitational lensing amplitude consistent with the $\mathrm{\ensuremath{\Lambda}}\mathrm{CDM}$ prediction (${A}_{L}=0.98\ifmmode\pm\else\textpm\fi{}0.12$). We combine the SPT-3G and the Planck data sets and obtain joint constraints on the $\mathrm{\ensuremath{\Lambda}}\mathrm{CDM}$ model. The volume of the 68% confidence region in six-dimensional $\mathrm{\ensuremath{\Lambda}}\mathrm{CDM}$ parameter space is reduced by a factor of 1.5 compared to Planck-only constraints, with no significant shifts in central values. We note that the results presented here are obtained from data collected during just half of a typical observing season with only part of the focal plane operable, and that the active detector count has since nearly doubled for observations made with SPT-3G after 2018.