Soutenance de thèse d’Apolline Chappard le 22 mai 2026 à 10h

Bonjour à tous

J’ai le plaisir de vous inviter à la soutenance de ma thèse, qui aura lieu le 22 mai à 10h en salle 123 de l’IAS.

Ma thèse intitulée « Effets systématiques dans les expériences CMB : caractérisation de haute précision d’un faisceau d’antenne et mesures des émissions atmosphériques à l’observatoire du Teide avec QUIJOTE » a été encadrée par Bruno Maffei au sein de l’équipe Cosmologie de l’IAS, José Alberto Rubiño Martín et Ricardo Tanausú Génova Santos au sein de l’équipe Fonds Diffus Cosmologique de l’IAC à Tenerife.

La thèse sera présentée en anglais devant un jury composé de Mathieu Langer, Elia Battistelli, Martin Giard et Alessia Ritacco.

Le fond diffus cosmologique (CMB) offre une fenêtre unique sur l’Univers primordial, environ 380.000 ans après le Big Bang, et demeure l’un des instruments les plus puissants de la cosmologie moderne. Les mesures des anisotropies de température et de polarisation du CMB ont permis de contraindre étroitement les paramètres cosmologiques et d’établir le modèle ΛCDM comme modèle cosmologique standard. Les recherches actuelles sur le CMB se concentrent sur la détection de la polarisation primordiale en mode B, qui fournirait une preuve directe de l’inflation, ainsi que sur les mesures des distorsions spectrales du CMB, qui permettent d’étudier l’histoire thermique de l’Univers primordial. La réalisation de ces objectifs exige une sensibilité expérimentale sans précédent et un contrôle précis des effets systématiques affectant les expériences sur le CMB. Cette thèse porte sur la caractérisation des effets systématiques des expériences sur le CMB, en particulier sur les erreurs systématiques instrumentales et la contamination atmosphérique. Tout d’abord, la caractérisation optique d’une antenne de 402 GHz conçue par le CNES est présentée dans le contexte de la mission spatiale LiteBIRD. À l’aide d’un complexe d’essai d’antennes compact installé dans la chambre anéchoïque de l’IAS, des mesures en champ lointain du faisceau de l’antenne ont été réalisées et comparées à des simulations électromagnétiques. Ces mesures démontrent que la caractérisation d’un faisceau copolarisé peut atteindre la précision requise pour les futures missions d’étude du fond diffus cosmologique (CMB), avec des incertitudes de l’ordre de 1 dB à -60 dB niveaux de faisceau et un bruit de fond inférieur à -80 dB, confirmant la sensibilité cible de LiteBIRD aux modes B primordiaux. La thèse présente ensuite une étude détaillée de l’émission atmosphérique à l’Observatoire du Teide à partir des données des instruments QUIJOTE MFI et MFI2. Des profils médians de pression atmosphérique, de température et de vapeur d’eau, ainsi que les propriétés statistiques de l’atmosphère, ont été établis pour la période 2012-2018. La stabilité des conditions atmosphériques sur des échelles de temps horaires a été vérifiée. L’analyse des fonctions de structure angulaire et des spectres de puissance montre que les fluctuations atmosphériques sont globalement cohérentes avec la turbulence de Kolmogorov, avec une échelle externe de l’ordre de 500 m. Enfin, des mesures d’opacité atmosphérique ont été effectuées à partir des données QUIJOTE skydip et converties en estimations de PWV à l’aide des modèles de transfert radiatif AM et ATM. Ces estimations ont ensuite été comparées aux mesures de PWV réalisées in situ. Bien que les deux modèles reproduisent les tendances générales, des décalages systématiques, particulièrement aux basses fréquences, ont été identifiés, soulignant la nécessité d’un raffinement supplémentaire pour un étalonnage de haute précision. Globalement, cette thèse fournit une analyse importante des systématiques instrumentales et atmosphériques pertinentes pour les expériences CMB actuelles et de nouvelle génération.

Suite à la soutenance, vous êtes également invités à un pot de thèse dans le hall de l’IAS.

Au plaisir de vous voir pour cette occasion,

Apolline Chappard

****************** English version ******************

I am pleased to invite you to my PhD defence, which will take place on May 22nd at 10:00 AM in room 123 of the IAS.

The cosmic microwave background (CMB) offers a unique window into the early Universe, approximately 380,000 years after the Big Bang, and remains one of the most powerful instruments in modern cosmology. Measurements of the CMB’s temperature and polarization anisotropies have allowed for the tight constraint of cosmological parameters and the establishment of the ΛCDM model as the standard cosmological model. Current research on the CMB focuses on detecting primordial B-mode polarization, which would provide direct evidence of inflation, and on measuring CMB spectral distortions, which allow the study of the thermal history of the early Universe. Achieving these goals requires unprecedented experimental sensitivity and precise control of the systematic effects affecting CMB experiments. This thesis focuses on characterizing the systematic effects of CMB experiments, particularly instrumental systematic errors and atmospheric contamination. First, the optical characterization of a 402 GHz antenna designed by CNES is presented in the context of the LiteBIRD space mission. Using a compact antenna test complex installed in the anechoic chamber of the IAS (Institut d’Astrophysique Spatiale), far-field measurements of the antenna beam were performed and compared to electromagnetic simulations. These measurements demonstrate that the characterization of a copolarized beam can achieve the accuracy required for future missions to study the cosmic microwave background (CMB), with uncertainties on the order of 1 dB at -60 dB beam levels and background noise below -80 dB, confirming LiteBIRD’s target sensitivity to primordial B-modes. The thesis then presents a detailed study of atmospheric emission at the Teide Observatory using data from the QUIJOTE MFI and MFI2 instruments. Median profiles of atmospheric pressure, temperature, and water vapor, as well as the statistical properties of the atmosphere, were established for the period 2012–2018. The stability of atmospheric conditions on hourly timescales was verified. Analysis of angular structure functions and power spectra shows that atmospheric fluctuations are generally consistent with Kolmogorov turbulence, with an external scale on the order of 500 m. Finally, atmospheric opacity measurements were performed using QUIJOTE skydip data and converted into PWV estimates using AM and ATM radiative transfer models. These estimates were then compared to in-situ PWV measurements. Although both models reproduced the general trends, systematic shifts, particularly at low frequencies, were identified, highlighting the need for further refinement for high-precision calibration. Overall, this thesis provides an important analysis of instrumental and atmospheric systematics relevant to current and next-generation CMB experiments.