Searching for new physics with CMB polarization: from Planck to LiteBIRD

Il satellite Planck ha fornito l’osservazione definitiva del segnale di anisotropia della radiazione cosmica di fondo (CMB) da una missione spaziale, quasi saturando l’informazione proveniente dalla temperatura della CMB fino a scale di qualche arcominuto. Gli esperimenti di prossima generazione dedicati alla CMB si concentreranno sul migliorare la misura della sua polarizzazione. La missione LiteBIRD della JAXA osserverà la polarizzazione della CMB con una sensibilità 30 volte superiore a Planck al fine di cercare il segno lasciato dalle onde gravitazionali primordiali, che finora non sono state rilevate. La scoperta di questo segnale fornirebbe una forte evidenza dell’esistenza di un’epoca inflazionaria, postulata per risolvere le carenze del modello Hot Big Bang. Ho contribuito allo sviluppo del framework di simulazione litebird_sim, uno strumento per creare simulazioni realistiche della missione LiteBIRD. Questo è essenziale per avere il pieno controllo degli errori sistematici, che si prevede dominino sulle incertezze statistiche per tutti gli esperimenti di prossima generazione. Ho contribuito al rilascio interno della prima versione di simulazioni end-to-end nella collaborazione LiteBIRD, prodotta con litebird_sim. Ho utilizzato il framework di simulazione per studiare l’impatto che gli errori sistematici del puntamento del satellite, derivati da una discrepanza tra le informazioni di puntamento assunte e quelle effettive, hanno sulla rilevazione delle tracce delle onde gravitazionali primordiali. Migliorare la sensibilità alla polarizzazione della CMB e il controllo degli errori sistematici sarà utile per vincolare l’effetto di birifrangenza cosmica (CB), indotto da estensioni dell’elettromagnetismo di Maxwell che violano la parità, causate, ad esempio, da interazioni non standard tra fotoni e campi oscuri. L’effetto di CB ruota il piano di polarizzazione lineare della radiazione elettromagnetica nel vuoto. Ho contribuito allo sviluppo di due pipeline di analisi dati per vincolare la CB con i dati di Planck. La prima applica gli stimatori D a porzioni di cielo della CMB per costruire mappe a bassa risoluzione dell’angolo di rotazione della CB. Ho calcolato il loro monopolo, il loro spettro di autocorrelazione e i loro spettri di cross-correlazione con i campi della CMB. La seconda applica uno stimatore per i coefficienti armonici del campo di birifrangenza, utilizzati per stimare il suo spettro direttamente dalle mappe di CMB. Una migliore misurazione della polarizzazione sarà vantaggiosa per lo studio dell’anomalia di mancanza di correlazione nella funzione di correlazione angolare a 2 punti, rilevata a grandi scale angolari nei dati di temperatura di WMAP e Planck. La polarizzazione della CMB può essere utilizzata per capire se l’anomalia fornisce indizi su nuova fisica da esplorare o se è dovuta a fluttuazioni statistiche, poiché la polarizzazione sonda indipendentemente le anomalie rispetto alla temperatura della CMB. Ho applicato diversi stimatori a simulazioni della CMB prive di rumore con il segnale di polarizzazione vincolato (o meno) a quello della temperatura, testando l’ipotesi nulla.

The Planck satellite provided the ultimate observation of the Cosmic Microwave Background (CMB) anisotropy signal from a space mission, nearly saturating the information coming from the temperature of the CMB down to few arcminute scales. The next-generation experiments devoted to CMB will focus on improving the measurement of its polarization. The JAXA LiteBIRD mission will observe CMB polarization with a sensitivity 30 times better than Planck to look for signatures left by primordial gravitational waves, that have not been detected so far. The discovery of such a signal would provide strong evidence for the existence of an inflationary epoch, postulated to solve the standard shortcomings of the Hot Big Bang model. I contributed to the development of the litebird_sim simulation framework, a tool to build realistic simulations of the LiteBIRD mission. This is essential to have full control of systematic errors, which are expected to dominate over the statistical uncertainties for all next-generation experiments. I contributed to the delivery of the first internal release of end-to-end simulations to the LiteBIRD collaboration, produced with litebird_sim. I employed the simulation framework to study the impact that pointing systematics, sourced by a mismatch between the assumed pointing information and the actual one, have on the detection of the traces of primordial gravitational waves. Improving the sensitivity to the polarization of the CMB and the control of systematics will be useful to constrain the cosmic birefringence (CB) effect, induced by parity violating extensions of Maxwell electromagnetism sourced by, e.g., non-standard interactions between photons and dark fields. The CB effect rotates the linear polarization plane of the electromagnetic radiation in vacuum. I contributed to the development of two analysis pipelines to constrain CB with Planck data. The first applies the D-estimators to patches of the CMB sky to build low-resolution maps of the CB rotation angle. I calculated their monopole, auto-correlation spectrum and cross-correlation spectra with the CMB fields. The second applies an estimator for the harmonic coefficients of the birefringence field, used to estimate its spectrum, directly on the CMB maps. An improved polarization measurement will benefit the study of the lack of correlation anomaly in the angular 2-point correlation function, found at large angular scales in WMAP and Planck temperature data. CMB polarization can be used to understand whether the anomaly provides hints for new physics to be explored or it is given by statistical flukes, as polarization independently probes the anomalies with respect to CMB temperature. I applied different estimators to noiseless CMB simulations with the polarization signal constrained (or not) to the temperature one, testing the fluke hypothesis.