La missione satellitare LiteBIRD rappresenta la nuova frontiera nella ricerca sulla Radiazione Cosmica di Fondo (CMB), concentrandosi sulla rilevazione della polarizzazione di modo B con una sensibilità senza precedenti. Il successo di questa missione dipende in modo cruciale dal controllo degli effetti sistematici, che si prevede dominino rispetto alle incertezze statistiche nei esperimenti di CMB di prossima generazione. Questa tesi presenta i miei contributi sia allo sviluppo di strumenti di simulazione per la missione LiteBIRD, sia all'esplorazione della polarizzazione del CMB come strumento per indagare la fisica oltre il Modello Standard. Ho contribuito allo sviluppo e alla validazione del LiteBIRD Simulation Framework (LBS), uno strumento fondamentale per generare simulazioni realistiche della missione. Utilizzando questo framework, ho fornito la prima release interna di simulazioni end-to-end alla collaborazione LiteBIRD, incorporando vari effetti sistematici, tra cui il rumore 1/f, e dimostrando l'efficacia della lamina a semi-onda (HWP) nel mitigare tali sistematiche. Inoltre, ho investigato l'impatto di una HWP non ideale sull'obiettivo scientifico principale di LiteBIRD, ovvero la rilevazione delle onde gravitazionali primordiali. Questo lavoro ha stabilito specifici requisiti di calibrazione per la HWP per mantenere i contributi sistematici al di sotto dei requisiti della missione, dimostrando al contempo robustezza in diversi livelli di complessità dei foreground. In aggiunta, ho esplorato come la polarizzazione della CMB possa sondare la fisica oltre il Modello Standard attraverso due studi distinti. Il primo si è concentrato sull'anomalia della mancanza di correlazione, utilizzando dati di polarizzazione di prossima generazione per identificare estimatori ottimali per testare l'ipotesi della fluttuazione statistica. Il secondo ha analizzato la possibilità di rilevare la polarizzazione circolare utilizzando un polarimetro modificato da una HWP non ideale, prevedendo miglioramenti da 1 a 3 ordini di grandezza nei vincoli sui parametri dell'Effetto Faraday Generalizzato. Queste analisi complete contribuiscono sia alla preparazione tecnica per la missione LiteBIRD, sia alla nostra comprensione della fisica fondamentale. I framework di simulazione e le tecniche di analisi sviluppati in questa tesi giocheranno un ruolo cruciale nel garantire la robustezza delle future osservazioni della CMB, mentre gli studi sulla polarizzazione aprono nuove finestre per investigare la fisica oltre il Modello Standard nell'universo primordiale.
The LiteBIRD satellite mission represents the next frontier in Cosmic Microwave Background (CMB) research, focusing on detecting B-mode polarization with unprecedented sensitivity. The success of this mission critically depends on controlling systematic effects, which are expected to dominate over statistical uncertainties in next-generation CMB experiments. This thesis presents my contributions to both the development of simulation tools for the LiteBIRD mission and the exploration of CMB polarization as a probe of physics beyond the Standard Model. I contributed to the development and validation of the LiteBIRD Simulation Framework (LBS), a crucial tool for generating realistic mission simulations. Using this framework, I delivered the first internal release of end-to-end simulations to the LiteBIRD collaboration, incorporating various systematic effects including 1/f noise and demonstrating the effectiveness of the half-wave plate (HWP) in mitigating these systematics. Furthermore, I investigated the impact of a non-ideal HWP on LiteBIRD's primary science goal of detecting primordial gravitational waves. This work established specific calibration requirements for the HWP to maintain systematic contributions below the mission's requirements, while demonstrating robustness across different levels of foreground complexity. Additionally, I explored how CMB polarization can probe physics beyond the Standard Model through two distinct studies. The first focused on the lack-of-correlation anomaly, utilizing next-generation polarization data to identify optimal estimators for testing the fluke hypothesis. The second analyzed the potential to detect circular polarization using a polarimeter modified by a non-ideal HWP, forecasting improvements of 1 to 3 orders of magnitude in constraints on Generalized Faraday Effect parameters. These comprehensive analyses contribute to both the technical preparation for the LiteBIRD mission and our understanding of fundamental physics. The simulation frameworks and analysis techniques developed in this thesis will play a crucial role in ensuring the robustness of future CMB observations, while the polarization studies open new windows for investigating physics beyond the Standard Model in the early universe.
Primordial Gravitational Waves and Beyond: A Study of CMB Polarization with LiteBIRD
RAFFUZZI, NICOLOELIA
2025
Abstract
La missione satellitare LiteBIRD rappresenta la nuova frontiera nella ricerca sulla Radiazione Cosmica di Fondo (CMB), concentrandosi sulla rilevazione della polarizzazione di modo B con una sensibilità senza precedenti. Il successo di questa missione dipende in modo cruciale dal controllo degli effetti sistematici, che si prevede dominino rispetto alle incertezze statistiche nei esperimenti di CMB di prossima generazione. Questa tesi presenta i miei contributi sia allo sviluppo di strumenti di simulazione per la missione LiteBIRD, sia all'esplorazione della polarizzazione del CMB come strumento per indagare la fisica oltre il Modello Standard. Ho contribuito allo sviluppo e alla validazione del LiteBIRD Simulation Framework (LBS), uno strumento fondamentale per generare simulazioni realistiche della missione. Utilizzando questo framework, ho fornito la prima release interna di simulazioni end-to-end alla collaborazione LiteBIRD, incorporando vari effetti sistematici, tra cui il rumore 1/f, e dimostrando l'efficacia della lamina a semi-onda (HWP) nel mitigare tali sistematiche. Inoltre, ho investigato l'impatto di una HWP non ideale sull'obiettivo scientifico principale di LiteBIRD, ovvero la rilevazione delle onde gravitazionali primordiali. Questo lavoro ha stabilito specifici requisiti di calibrazione per la HWP per mantenere i contributi sistematici al di sotto dei requisiti della missione, dimostrando al contempo robustezza in diversi livelli di complessità dei foreground. In aggiunta, ho esplorato come la polarizzazione della CMB possa sondare la fisica oltre il Modello Standard attraverso due studi distinti. Il primo si è concentrato sull'anomalia della mancanza di correlazione, utilizzando dati di polarizzazione di prossima generazione per identificare estimatori ottimali per testare l'ipotesi della fluttuazione statistica. Il secondo ha analizzato la possibilità di rilevare la polarizzazione circolare utilizzando un polarimetro modificato da una HWP non ideale, prevedendo miglioramenti da 1 a 3 ordini di grandezza nei vincoli sui parametri dell'Effetto Faraday Generalizzato. Queste analisi complete contribuiscono sia alla preparazione tecnica per la missione LiteBIRD, sia alla nostra comprensione della fisica fondamentale. I framework di simulazione e le tecniche di analisi sviluppati in questa tesi giocheranno un ruolo cruciale nel garantire la robustezza delle future osservazioni della CMB, mentre gli studi sulla polarizzazione aprono nuove finestre per investigare la fisica oltre il Modello Standard nell'universo primordiale.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
