Distilling information from present and future CMB datasets: the cases of large-scale polarization and lensing

Il livello di precisione atteso dai futuri esperimenti sulla radiazione cosmica di fondo rende necessario il perfezionamento delle tecniche utilizzate per analizzare i dati. Diviene indispensabile capire come massimizzare il loro contenuto informativo. Questo pu\`o essere fatto sia sviluppando tecniche per ridurre del livello di rumore presente nei dati, sia tramite lo studio sistematico della significativit\`a delle diverse osservazioni per un determinato modello. In aggiunta, \`e possibile definire nuovi estimatori per testarne le propriet\`a statistiche. In questo lavoro di tesi, inizialmente mostriamo come sia possibile costruire un dataset nello spazio dei pixel che combini le mappe di polarizzazione su larga scala ottenute dalle misure a bassa frequenza di WMAP e \Planck. Dopo averne dimostrato la robustezza, deriviamo i vincoli sullo spessore ottico ottenendo un valore pari a $\tau=0.069^{+0.012}_{-0.011}$ (68\% CL). Aggiungendo misure derivanti dalle piccole scale, BAO e lensing troviamo un valore pari a $\tau=0.0714_{-0.0096}^{+0.0087}$ (68\% CL). Come ulteriore argomento, facciamo vedere come sia possibile definire nuovi estimatori per studiare la correlazione tra l'orientazione del piano Galattico e l'abbassamento anomalo della varianza visto nei dati di temperatura della CMB su larga scala angolare. Tramite l'uso di rotazioni random mostriamo la stabilit\`a di questa anomalia ad alte latitudini Galattiche, trovando una significativit\`a di $\sim 3 \sigma$. Infine, compariamo due osservabili principali negli esperimenti di CMB: quella del lensing e quella della polarizzazione su larga scala. Mostriamo come l'informazione contenuta in queste due sonde influenzi la nostra capacit\`a di vincolare i parametri base del modello $\Lambda$CDM. Estendiamo l'analisi considerando anche alcune delle sue estensioni pi\`u dibattute, quantificando quale sar\`a la sonda che giocher\`a un ruolo cruciale nella loro caratterizzazione.

The level of precision expected by future cosmic microwave background experiments makes it necessary to refine the techniques used to analyse the data. It becomes essential to understand how to maximise their information content. This can be done, either by developing techniques to reduce the noise level present in the data or by systematically studying the significance of different observations for a given model. In addition, it is possible to define new estimators to test their statistical properties. In this thesis, we initially show how it is possible to construct a pixel-based dataset that combines the WMAP and low-frequency \Planck\ large-scale polarization maps. After demonstrating its robustness, we derive constraints on the optical depth obtaining $\tau = 0.069^{+ 0.012}_{- 0.011}$ (68\% CL). Adding small-scale data, BAO and lensing we find $\tau = 0.0714 _{- 0.0096}^{+ 0.0087}$ (68\% CL). As a further topic, we show how it is possible to define new estimators to study the correlation between the orientation of the Galactic plane and the low-variance anomaly shown by large angle CMB temperature data. Through the use of random rotations, we show the stability of this anomaly at high Galactic latitudes, finding a significance of $\sim 3 \sigma$. Finally, we compare two main observables in CMB experiments: lensing and large-scale polarization. We show how the information carried by these two probes affects our ability to constrain the base $\Lambda$CDM parameters. We extend the analyses considering also some of its most debated extensions, quantifying which future probe will play a crucial role in their characterisation.