LSST Groupe de Cosmologie : Pierre Antilogus Conseil Scientifique du LPNHE 2 Oct. 2007

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE2 Pourquoi le LSST au LPNHE/France ? (1/3) La thématique Energie/Matière Noire est plus vivante que jamais du point de vue physique « qu’est-ce ????!!!! »  La cosmologie est aujourd’hui clairement un domaine de mesures de précision / grand sondage pour aborder cette thématique de physique fondamentale

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE3 Pourquoi le LSST au LPNHE/France ? (2/3) La prochaine génération d'expérience Energie/Matière noire doit être multi- méthode : –Aucune méthode aujourd’hui est systématique « garantie » –Au niveau sensibilité on a des gains importants quand on « combine » les méthodes phares entre elles.

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE4 Pourquoi le LSST au LPNHE/France ? (3/3) le Futur du groupe cosmologie au LPNHE Chercheurs permanents (10) –P.Antilogus (DR) –P.Astier(DR) –E.Barrelet(DR) –C.Balland(MC,PXI) –J.Guy(CR) –D.Hardin(MC,PVI) –M.Joyce(Pr, théorie,PVI) –R.Pain(DR) –N.Regnault(CR) –K.Schahmaneche(MC,PVII) Visiteur/Postdoc (2) –S.Bailey –C.Wu Etudiants en thèse (4) –S.Baumont(SNLS) –N.Fourmanoit(SNLS) –T.Kronborg (SNLS) –R.Pereira (SNfactory) L’activité du groupe est centrée aujourd’hui sur la cosmologie à l’aide des SNIa dans les programmes SNfactory, SNLS, SNDICE. Les observations en cours prennent fin en 2008(SNLS/SNFactory), l’analyse ~ la participation à 1-2 projets complémentaires pour certains d’entre nous ~ Les 3+1 projets majeurs d’étude de l’Energie Noire de la prochaine génération ont été évalués en profondeur au LPNHE depuis Fin 2005 un choix c’est imposé : LSST –C’est LE projet sol à venir le plus « puissant » –Indispensable aux projets spatiaux à l’étude aujourd’hui –Il a le calendrier le plus réaliste/proche : 2014 (+~2)

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE5 Les projets à venir  Ils sont tous sensibles aux sondes “Energie Noire” : WL, SNe, BAOs, galaxy clusters Sol : visible Espace : IR proche (+visible)

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE6 Etendue (= A  ) ou “puissance” du survey

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE7 Pourquoi LSST est unique ? (1/3) Primary mirror diameter Field of view (full moon is 0.5 degrees) Keck Telescope 0.2 degrees 10 m 3.5 degrees LSST

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE8 Pourquoi LSST est unique ? (2/3) Le concept : Profond, Large, Rapide Le design : Telescope+Camera = 1 instrument Miroir primaire : 8.4 MtreMiroir primaire : 8.4 Mètre –3.4 M Secondaire –5.0 M Tertiaire 3.5 degr Champ de vue3.5 degré Champ de vue –3.2 Gigapixel Camera –4k x 4k CCD –~200 dtecteurs, –~200 détecteurs, –65 cm diamtre –65 cm diam è tre –Six Filtres Des poses de 30sDes poses de 30s –Prise de donnes dynamique –Prise de donn é es dynamique –Lecture hautement // Profondeur cumul é e ~27 mag. Dans chaque filtre pour 10 ans d ’ observation.Profondeur cumul é e ~27 mag. Dans chaque filtre pour 10 ans d ’ observation. 18TB/nuit !18TB/nuit !

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE9 Pourquoi LSST est unique ? (2/3) Plan d’Observation deg 2 0,2 arcs/pixel Chaque 9.6 deg 2 est visité > 300 fois Observation en 6 bandes (u g r i z y) –profondeur, r : 27.5 AB  (1 image: 24.7 AB mag ) Précision photométrique : 0.01 mag Densité de galaxie : 50 / arcmin galaxies avec color-redshift Durée du suivi : 10 ans Plus de poses suivant la séquence : –15 s de poses – 2 s de lecture –15 s de poses –nouveau pointé pendant la lecture 3 ans d’observations

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE10 LSST Science Massivement Parallèle – – Dark matter/dark energy via weak lensing – Dark matter/dark energy via baryon acoustic oscillations – Dark energy via supernovae – Dark energy via counts of clusters of galaxies – Galactic Structure encompassing local group – Dense astrometry over sq.deg: rare moving objects – Gamma Ray Bursts and transients to high redshift – Gravitational micro-lensing – Strong galaxy & cluster lensing: physics of dark matter – Multi-image lensed SN time delays: separate test of cosmology – Variable stars/galaxies: black hole accretion – QSO time delays vs z: independent test of dark energy – Optical bursters to 25 mag: the unknown – 5-band 27 mag photometric survey: unprecedented volume – Solar System Probes: Earth-crossing asteroids, Comets, trans- Neptunian objects

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE11 LSST : 1 data-set plusieurs sondes pour l’Energie Noire ® Cosmic shear (growth of structure + cosmic geometry) ® Counts of massive structures vs redshift (growth of structure) ® Baryon acoustic oscillations (angular diameter distance) ® Measurements of Type 1a SNe (luminosity distance) ® Mass power spectrum on very large scales tests CDM paradigm ® Shortest scales of dark matter clumping tests models of dark matter particle physics

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE12 Comparaison : « Stage-IV DE Facilities » Nature de l’Energie Noire S’intéresser à la “Nature” de l’Energie Noire revient à mesurer (w) son équation d’état. c.a.d à mesurer comment l’Energie Noire réagit à l'expansion de l’univers : P x =w  x Ou autrement dit :  x ~ R -3(1+w) Remarque : Aujourd’hui Ω M = ± (stat) ± 0.007(sys) (SNLS+SDSS BAO,Eisenstein et al, 2005) w =-1.02 ± 0.09 (stat) ± (sys)

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE13 LSST Wang et al. 2006, AAS Précision vs Luminosité Intégrée Sondes individuellesSondes combinées Combiner les sondes réduits les dégénérescences

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE14 Mesurer le Weak lensing demande une correction fine des distorsions de la psf : utilisation des étoiles du champ ( ~3 étoiles brillantes par arcmin 2 ) Avant Après =0.07 < Mesurer le même champs plusieurs fois ( >300 fois par filtre) permet de rendre négligeable les effets d’atmosphère. Test au Subaru : Weak Lensing : résidus / systématiques Intérêt des poses multiples d’un même champs

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE15 LSST à l’IN2P3 Programme de R&D actuel Première phase définie Dec 06. débuté Mar 2007 : programme sur 2-3 ans LPNHE, LAL, APC : Travail / M&S : 400/60 k€ en 2007 Filtre/carrousel, FEE ASIC, ( Inst. Calib / prototype SNDICE ) Le LPSC rejoint actuellement la collaboration Française naissante Passage devant le CS de l’IN2P3 en dec 2007 pour soutien à la R&D++ Autres activités : –Etudes scientifiques ( SN, WL, BAO ) –Software ( Objets variables …) –Calcul : mise en place d’une collaboration ccin2p3/SLAC/SanDiego –Calibration de la transmission atmosphérique (APC : Télescope auxiliaire / INSU) La construction de LSST : –Objectif : mise en place d’un scénario « à la BABAR » par une contribution de l’IN2P3 à la camera de LSST qui est sous responsabilité SLAC / DOE –Des scénarios de participation Française à la construction de la camera ont été définis cet été avec la direction de LSST/SLAC –Sep 2007 : feu vert de la direction de l’IN2P3 pour postuler à un TGE ( ….)

LSST : R&D actuelle au LPNHE Objectifs de la R&D en 2007 : Prendre contact avec la collaboration de l'intérieur + préparer dans les meilleurs conditions une montée en « puissance » en France ( autre R&D, construction ) Contribuer à des points clefs, utiles immédiatement à la collaboration, avec des résultats pour la revue de Conceptual Design de Septembre 2007  Succès

ASPIC: Analog Signal Processing asIC C. De La Taille, M. Moniez, V. Tocut, F. Wicek Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire BP Orsay Cédex – France P. Antilogus, H. Lebbolo, R. Sefri Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Energies 4 place Jussieu – Tour Paris Cedex 05

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE18 R&D : LAL & LPNHE ASIC for the ccd readout (Front End) : ~200 ccd, with pixels 10x10 micron, ccd size 4kx4k ( 3.5 Gpixels), 16 readout channels per ccd : 3200 electronic channels Readout at 500 kHz ( readout time of 2s, for an exposure time of 15s ) Full wheel capacity : e-,readout noise b 6 e- rms, dynamic 16 bits, 0.01% crosstalk Inside a cryostat at -100 °C 2 design are under study : Dual Slop Integrator ( DSI) : LSST baseline Clamp and Sample (C&S) ASPIC Clamp and Sample - Channel Front End ASIC for the CCD readout ASPIC Dual Slop Integrator - Channel

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE19 The ASPIC chip : 1st prototype Submitted layout   With : 4 DSI and 4 C&S channels  Submitted : 23rd July 2007  Expected delivery : ~15 October Techno : CMOS 0.35µ 5V Vendor : AMS Package : CQFP mm 2.7mm

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE20 Carrousel Design LPNHE : Pierre Antilogus, Walter Bertoli, Guillaume Daubard SLAC : Mike Foss, Martin Nordby

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE21 Carousel : Filter exchange R&D : LPNHE Carrousel for filter exchange LSST Filters : 80 cm, ~ 25 kg each. 5 filters can fit in the camera at a given time. Constrains : room, wheight, rigidity, dust free, speed, … Planning : Design delivered mid-July 2007 for the Conceptual Design Review of September The most critical points will be prototyped for the 2008 Design Review. Carousel Reference Design August 2006 Carousel Conceptual Design June 2007

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE22 Kinematics/clearance studies

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE23 R&D LSST en France Montée en puissance de la contribution Française à LSST. Options supplémentaires en cours d’évaluation : –25% des CCD : LPNHE (LAL?) / BNL –Filtres : LMA/SAGEM, LPSC, LPNHE –Calibration : LPSC, LPNHE (SNDICE) –(Slow) control : APC, LAL –Electronique de guidage : LAL, LPNHE, LPSC / Purdue U.

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE24 R&D au LPNHE : Investissement humain important Coordination –1 chef de projet camera –1 responsable qualité Mécanique ( Carrousel + réalisation/test ) –Conception/ suivi proto/test : 1.5 IE/IR –Dessin : 0.7 ( AI ) –Réalisation : 0.5 Electronique ( ASIC FE, Guide, test ASIC / ccd ) –Suivi/conception : 0.3 IR –Conception ASIC : 1 IE –Conception carte (BE Test … ): 1-2 IE –Réalisation : 0.3 AI CCD / instrumentation / banc test: –1 IR instrumentation –1 Onliner ( DSP … ) – Support méca ( cryo …) –Support électronique SNDICE/calibration : TBD suivant - résultats SNLS/CFH - discussion LPSC, LMA Contrôle ( test carrousel, ccd,guide ) : IR + 1 IE (APC ? LAL ? ) - 1 IE/IR : design guidage (LAL ? ) L’évaluation des besoins est en cour. Concertation cet automne avec : LPNHE : CS, CSP ; IN2P3 : LAL, LPSC, APC, LMA ; LSST : K.Gilmore en France du Oct. Propositions cohérentes et validées par les labo/LSST d’ici le CS de l’IN2P3 de dec. 2007

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE25 LSST construction vers une contribution de l’IN2P3 Les scénarios envisagés : une participation Fran ç aise de ~ 15 à 30 % au coût total (consolidé) estimé pour la camera (100 M$) Le schéma : - préparé avec K. Gilmore (camera PM) et S. Kahn - part de l’effort actuel de R&D -> construction - et inclut (une fraction) des détecteurs (ccd ) - et éléments optiques ( filtres ) - soustraction des « aléas » (jusqu’à 60%) - conversion en Euros (.73/$) => estimation réaliste pour l’argent « à injecter » ( M&S ) le coût du travail devra être adapté aux pratiques de l’IN2P3 (probablement plus important que ce qui est actuellement) (indiqué dans les documents LSST )

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE26 Les « items » envisagés itemtaskFractionLaborM&STotal Filter Carousel & Changer Sensor PackagesProd & Test25% FiltersProd & Test Slow ControlControls Readout electronicsProd & Test Guide SensorsProd & Test T.B.D CalibrationProd & TestT.B.D Total of Subtotals

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE27 La camera LSST aura pixels dans un plan image de 64cm de diamètre Five Filters in stored location L1 Lens L2 Lens Shutter L1/L2 Housing Camera Housing L3 Lens Raft Tower Filter in light path

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE28 Guide Sensors (8 locations) Wavefront Sensors (4 locations) 3.5 degree Field of View (634 mm diameter) LSST Plan Focal 9.6 degrés carrés

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE29 Raft Towers SENSOR RAFT RAFT TOWER Si CCD Sensor Raft Structure Sensor Packages CCD Carrier Thermal Strap(s) FEE Cage

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE30 Construction Commissioning Operations Schedule pour le LSST FY Design and Development Submit NSF MREFC Proposal NSF and CD-3 funding begins First light 51 months CD-0 (and early procurement) ~$30M/yr ~$40M $300M Fiscal Years 2006 base-year dollars Then-year dollars is ~$335M

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE31 Conclusion L’horizon ~2015 du groupe cosmologie du LPNHE : LSST  Opportunité(s) de R&D et Construction pour au LPNHE

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE32 The LSST will be on El Penon peak in Northern Chile in an NSF compound 1.5m photometric calibration telescope

2 Octobre 2007LSST, Conseil Scientifique LPNHE33 The Telescope Mount and Dome Altitude over azimuth configuration Camera and Secondary assembly Carrousel dome Finite element analysis