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.

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.

Gravitational lensing of the cosmic microwave background generates a curl pattern in the observed polarization. This "B-mode" signal provides a measure of the projected mass distribution over the entire observable Universe and also acts as a contaminant for the measurement of primordial gravity-wave signals. In this Letter we present the first detection of gravitational lensing B modes, using first-season data from the polarization-sensitive receiver on the South Pole Telescope (SPTpol). We construct a template for the lensing B-mode signal by combining E-mode polarization measured by SPTpol with estimates of the lensing potential from a Herschel-SPIRE map of the cosmic infrared background. We compare this template to the B modes measured directly by SPTpol, finding a non-zero correlation at 7.7 sigma significance. The correlation has an amplitude and scale-dependence consistent with theoretical expectations, is robust with respect to analysis choices, and constitutes the first measurement of a powerful cosmological observable.

We report the results of an 87 square-degree point-source survey centered at R.A. 5h30m, decl. -55 deg. taken with the South Pole Telescope (SPT) at 1.4 and 2.0 mm wavelengths with arc-minute resolution and milli-Jansky depth. Based on the ratio of flux in the two bands, we separate the detected sources into two populations, one consistent with synchrotron emission from active galactic nuclei (AGN) and one consistent with thermal emission from dust. We present source counts for each population from 11 to 640 mJy at 1.4 mm and from 4.4 to 800 mJy at 2.0 mm. The 2.0 mm counts are dominated by synchrotron-dominated sources across our reported flux range; the 1.4 mm counts are dominated by synchroton-dominated sources above ~15 mJy and by dust-dominated sources below that flux level. We detect 141 synchrotron-dominated sources and 47 dust-dominated sources at S/N > 4.5 in at least one band. All of the most significantly detected members of the synchrotron-dominated population are associated with sources in previously published radio catalogs. Some of the dust-dominated sources are associated with nearby (z << 1) galaxies whose dust emission is also detected by the Infrared Astronomy Satellite (IRAS). However, most of the bright, dust-dominated sources have no counterparts in any existing catalogs. We argue that these sources represent the rarest and brightest members of the population commonly referred to as sub-millimeter galaxies (SMGs). Because these sources are selected at longer wavelengths than in typical SMG surveys, they are expected to have a higher mean redshift distribution and may provide a new window on galaxy formation in the early universe.

We present a detection-significance-limited catalog of 21 Sunyaev-Zel'dovich selected galaxy clusters. These clusters, along with 1 unconfirmed candidate, were identified in 178 deg^2 of sky surveyed in 2008 by the South Pole Telescope to a depth of 18 uK-arcmin at 150 GHz. Optical imaging from the Blanco Cosmology Survey (BCS) and Magellan telescopes provided photometric (and in some cases spectroscopic) redshift estimates, with catalog redshifts ranging from z=0.15 to z>1, with a median z = 0.74. Of the 21 confirmed galaxy clusters, three were previously identified as Abell clusters, three were presented as SPT discoveries in Staniszewski et al, 2009, and three were first identified in a recent analysis of BCS data by Menanteau et al, 2010; the remaining 12 clusters are presented for the first time in this work. Simulated observations of the SPT fields predict the sample to be nearly 100% complete above a mass threshold of M_200 ~ 5x10^14 M_sun/h at z = 0.6. This completeness threshold pushes to lower mass with increasing redshift, dropping to ~4x10^14 M_sun/h at z=1. The size and redshift distribution of this catalog are in good agreement with expectations based on our current understanding of galaxy clusters and cosmology. In combination with other cosmological probes, we use the cluster catalog to improve estimates of cosmological parameters. Assuming a standard spatially flat wCDM cosmological model, the addition of our catalog to the WMAP 7-year analysis yields sigma_8 = 0.81 +- 0.09 and w = -1.07 +- 0.29, a ~50% improvement in precision on both parameters over WMAP7 alone.

We use South Pole Telescope data from 2008 and 2009 to detect the non-Gaussian signature in the cosmic microwave background (CMB) produced by gravitational lensing and to measure the power spectrum of the projected gravitational potential. We constrain the ratio of the measured amplitude of the lensing signal to that expected in a fiducial ΛCDM cosmological model to be 0.86 ± 0.16, with no lensing disfavored at 6.3σ. Marginalizing over ΛCDM cosmological models allowed by the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP7) results in a measurement of Alens = 0.90 ± 0.19, indicating that the amplitude of matter fluctuations over the redshift range 0.5 ≲ z ≲ 5 probed by CMB lensing is in good agreement with predictions. We present the results of several consistency checks. These include a clear detection of the lensing signature in CMB maps filtered to have no overlap in Fourier space, as well as a "curl" diagnostic that is consistent with the signal expected for ΛCDM. We perform a detailed study of bias in the measurement due to noise, foregrounds, and other effects and determine that these contributions are relatively small compared to the statistical uncertainty in the measurement. We combine this lensing measurement with results from WMAP7 to improve constraints on cosmological parameters when compared to those from WMAP7 alone: we find a factor of 3.9 improvement in the measurement of the spatial curvature of the universe, Ωk = −0.0014 ± 0.0172; a 10% improvement in the amplitude of matter fluctuations within ΛCDM, σ8 = 0.810 ± 0.026; and a 5% improvement in the dark energy equation of state, w = −1.04 ± 0.40. When compared with the measurement of w provided by the combination of WMAP7 and external constraints on the Hubble parameter, the addition of the lensing data improves the measurement of w by 15% to give w = −1.087 ± 0.096.

We present a catalog of galaxy cluster candidates, selected through their Sunyaev–Zel'dovich (SZ) effect signature in the first 720 deg2 of the South Pole Telescope (SPT) survey. This area was mapped with the SPT in the 2008 and 2009 austral winters to a depth of ∼18 μKCMB-arcmin at 150 GHz; 550 deg2 of it was also mapped to ∼44 μKCMB-arcmin at 95 GHz. Based on optical imaging of all 224 candidates and near-infrared imaging of the majority of candidates, we have found optical and/or infrared counterparts for 158, which we then classify as confirmed galaxy clusters. Of these 158 clusters, 135 were first identified as clusters in SPT data, including 117 new discoveries reported in this work. This catalog triples the number of confirmed galaxy clusters discovered through the SZ effect. We report photometrically derived (and in some cases spectroscopic) redshifts for confirmed clusters and redshift lower limits for the remaining candidates. The catalog extends to high redshift with a median redshift of z = 0.55 and maximum confirmed redshift of z = 1.37. Forty-five of the clusters have counterparts in the ROSAT bright or faint source catalogs from which we estimate X-ray fluxes. Based on simulations, we expect the catalog to be nearly 100% complete above M500 ≈ 5 × 1014 M☉ h−170 at z ≳ 0.6. There are 121 candidates detected at signal-to-noise ratio greater than five, at which the catalog purity is measured to be 95%. From this high-purity subsample, we exclude the z < 0.3 clusters and use the remaining 100 candidates to improve cosmological constraints following the method presented by Benson et al. Adding the cluster data to CMB + BAO + H0 data leads to a preference for non-zero neutrino masses while only slightly reducing the upper limit on the sum of neutrino masses to ∑mν < 0.38 eV (95% CL). For a spatially flat wCDM cosmological model, the addition of this catalog to the CMB + BAO + H0 + SNe results yields σ8 = 0.807 ± 0.027 and w = −1.010 ± 0.058, improving the constraints on these parameters by a factor of 1.4 and 1.3, respectively. The larger cluster catalog presented in this work leads to slight improvements in cosmological constraints from those presented by Benson et al. These cosmological constraints are currently limited by uncertainty in the cluster mass calibration, not the size or quality of the cluster catalog. A multi-wavelength observation program to improve the cluster mass calibration will make it possible to realize the full potential of the final 2500 deg2 SPT cluster catalog to constrain cosmology.

(abridged) We present cosmological constraints obtained from galaxy clusters identified by their Sunyaev-Zel'dovich effect signature in the 2500 square degree South Pole Telescope Sunyaev Zel'dovich survey. We consider the 377 cluster candidates identified at z>0.25 with a detection significance greater than five, corresponding to the 95% purity threshold for the survey. We compute constraints on cosmological models using the measured cluster abundance as a function of mass and redshift. We include additional constraints from multi-wavelength observations, including Chandra X-ray data for 82 clusters and a weak lensing-based prior on the normalization of the mass-observable scaling relations. Assuming a LCDM cosmology, where the species-summed neutrino mass has the minimum allowed value (mnu = 0.06 eV) from neutrino oscillation experiments, we combine the cluster data with a prior on H0 and find sigma_8 = 0.797+-0.031 and Omega_m = 0.289+-0.042, with the parameter combination sigma_8(Omega_m/0.27)^0.3 = 0.784+-0.039. These results are in good agreement with constraints from the CMB from SPT, WMAP, and Planck, as well as with constraints from other cluster datasets. Adding mnu as a free parameter, we find mnu = 0.14+-0.08 eV when combining the SPT cluster data with Planck CMB data and BAO data, consistent with the minimum allowed value. Finally, we consider a cosmology where mnu and N_eff are fixed to the LCDM values, but the dark energy equation of state parameter w is free. Using the SPT cluster data in combination with an H0 prior, we measure w = -1.28+-0.31, a constraint consistent with the LCDM cosmological model and derived from the combination of growth of structure and geometry. When combined with primarily geometrical constraints from Planck CMB, H0, BAO and SNe, adding the SPT cluster data improves the w constraint from the geometrical data alone by 14%, to w = -1.023+-0.042.