在引力波家族中，原初引力波频率最低，其波长与宇宙尺度相当，目前对它探测的最佳手段是测量宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background，简称 CMB）的原初B模式偏振信号（详见：张新民等，“原初引力波与阿里探测计划”，《现代物理知识》，2016 年第 2 期）。CMB 是宇宙大爆炸的光子余晖，它的发现对宇宙大爆炸模型的建立起到了决定性的作用，由此 Penzias 和 Wilson 获得了 1978 年度诺贝尔物理学奖。1990 年代以来，COBE、WMAP、Planck 三代CMB 空间卫星开启了精确宇宙学时代（详见：李虹等，“WMAP 与精确宇宙学”，《现代物理知识》2011 年第 6 期），建立了以暗物质、暗能量为主的现代宇宙学标准模型。COBE 合作组的 Mather 和 Smoot 由于发现 CMB 的黑体谱和各向异性获得了 2006 年度诺贝尔物理学奖，2019 年 Peebles 由于在 CMB 等物理宇宙学理论研究方面的贡献和发现获得了诺贝尔物理学奖。CMB 有两种偏振，其中E模偏振和引力透镜导致的 B 模偏振已分别于 2002 年、2014 年被南极的地面 CMB 实验发现，但至今，与原初引力波直接相关的原初 B 模偏振尚未被探测到。目前，世界各国正集中人力物力，加强探测实验研究，争夺这一科学圣杯。

目前，国际上正在运行和建设中的地面 CMB 实验都集中于水汽含量低、观测条件优的三大基地: 智利阿塔卡马沙漠、南极极点、西藏阿里。前面二个都位于南半球。AliCPT 地处北半球中纬度，利用地球自转，天区覆盖率达 60%，与极地台址相比在 CMB 大尺度科学领域具有更大的科学潜能; 同时，AliCPT 与南半球实验结合，可以相互交叉检验，更重要的是可以实现地面 CMB 观测的全天覆盖，有助于精确测量小多极矩功率谱，并在 CMB 偏振上测量南北不对称性，检验宇宙学原理。

1) CMB B 模式偏振科学。AliCPT-1 的核心科学目标是测量 CMB 原初B模式偏振，探测原初引力波，检验暴涨、反弹等早期宇宙理论。此外，通过测量CMB EB 模式偏振交叉相关，探测 CMB 偏振旋转，检验 Chern（陈省身）—Simons 相互作用，检验基础物理中的 CPT（电荷共轭、宇称、时间反演）对称性是 AliCPT-1 的另一个重要的科学目标。2006年，我国科学家在国际上首次测量分析了这个 CMB 的偏振旋转。之后，该研究方向逐渐成为了 CMB 领域的一个重要研究热点。近年来，Komatsu 研究团队通过分析 Planck 卫星数据，发现非零偏振旋转的显著度达到了 3.7 σ。我们的模拟结果显示，AliCPT-1  有望提高至 4.1~4.6 σ。AliCPT-1 的 B 模式偏振数据还将与大尺度巡天实验，如 DESI 等，进行交叉研究，重建引力透镜效应。

2) CMB E 模式偏振科学。精确测量 CMB E 模式偏振是检验 ΛCDM标准宇宙学模型，精确测量宇宙学参数的一个重要途径。通过对 60% 天区的观测，AliCPT-1 将在多极矩范围 l ~ 30-1000 (大约对应于10角分至5度的尺度) 提供高精度的 EE 偏振功率谱。当前，哈勃常数危机 （Hubble tension） 是宇宙学领域的热点问题，引入动力学的早期暗能量是一个重要的解决方案。由于早期暗能量在多极矩 l ~ 500-1000 的 CMB EE 功率谱中留下痕迹，而且，不同于 TT 功率谱，CMB EE 谱不受 early Sachs-Wolfe 效应的影响，由此，AliCPT-1 的高精度 CMB 偏振数据将对早期暗能量检验、哈勃常数危机研究等方面提供重要的独立数据。探测到暗能量的动力学性质将是基础科学领域的一个重大的进展，对于暗能量的物理本质研究、暗能量理论模型检验具有重大的科学意义。2004 年，我国科学家首次提出了状态方程越过 w=-1 的 Quintom 动力学暗能量理论。2017 年，国际大型星系巡天SDSS-III（BOSS）合作组在《自然·天文》上发表论文，其观测数据在3.5 σ 支持 Quintom 理论。

3) 北天毫米波巡天科学。AliCPT-1 将给出北天最精确的毫米波巡天数据，在点源、暂现源、银河系前景科学及轴子探测等领域具有广泛的科学潜力。目前赤道坐标系北天最好的观测数据来自于已经结束的 Planck 卫星任务。相比于 Planck 每半年完成一次全天扫描，由于地球自转，灵敏度更高的 AliCPT-1 将每天对近 60% 的天区进行一次巡天观测，在暂现源探测、时域天文学领域优势明显。与此同时，AliCPT-1 在北天区的多频段扫描将对北天银河系极化前景辐射的研究提供最精确的毫米波观测数据。

美国主导的 CMB-S4 计划投资 6.5 亿美元（~45 亿元人民币），相比之下，我国的 AliCPT 急需进一步地加大投入。CMB-S4 将在 2032 年左右建成，为了确保我国在 CMB 实验、原初引力波探测方面不失这一重大科学机遇，在 AliCPT-1 基础上，需要增加探测器数量，拓宽观测频段，并增加大口径望远镜。我国的 CMB 实验将充分发挥西藏阿里观测基地的地域优势，保持在北天的领先地位。科学上，与 CMB-S4 结合，开展南半球和北半球地面 CMB 实验的联网分析、实现全天覆盖，这将对高能物理、天文和宇宙学研究具有重大的科学意义。