Charting new physics territories with cosmological observations

In questa Tesi sfruttiamo le più recenti osservazioni cosmologiche per vincolare scenari di fisica fondamentale che vanno oltre i modelli standard della cosmologia e della fisica delle particelle. Per cominciare consideriamo candidati di materia oscura macroscopica (MDM), che rappresentano una interessante alternativa ai modelli di materia oscura particellare. Ci concentriamo sul processo di cattura di protoni da parte della MDM e vincoliamo lo spazio dei parametri delle Macro sfruttando tre osservabili cosmologiche: (i) la variazione nella densità di barioni tra le epoche della Nucleosintesi Primordiale (BBN) e della Radiazione Cosmica di Fondo (CMB); (ii) la produzione di distorsioni spettrali nello spettro della CMB; (iii) l’accoppiamento tra la MDM carica e i barioni all’epoca del disaccoppiamento della CMB. Inoltre, mostriamo come esperimenti futuri per distorsioni spettrali, come PIXIE e SuperPIXIE, potranno migliorare i vincoli attuali. Successivamente ci concentriamo su particelle axion-like (d’ora in avanti assioni) termiche, che sono prodotte nell’Universo primordiale tramite processi di scattering tra particelle presenti nel plasma primordiale. A seconda della loro massa, gli assioni termici possono comportarsi come una componente di materia oscura calda, tiepida o fredda. Sfruttando le più recenti osservazioni delle anisotropie della CMB dal satellite Planck e delle Oscillazioni Acustiche Barioniche dalle survey di galassie, vincoliamo gli accoppiamenti degli assioni ai fotoni e ai gluoni. Questi risultati vengono poi confrontati con i vincoli ottenuti da esperimenti in laboratorio e tramite sorgenti astrofisiche. Nella seconda parte della Tesi ci concentriamo sulla polarizzazione della CMB per testare possibili violazioni di simmetrie fondamentali. Come prima cosa, consideriamo modelli che estendono l’elettrodinamica di Maxwell introducendo operatori rinormalizzabili che violano la simmetria di Lorentz. Questi consistono di due termini, uno dei quali viola anche la simmetria CPT. Sfruttando le più recenti osservazioni della polarizzazione della CMB, deriviamo vincoli molto stringenti sui coefficienti che parametrizzano la violazione di Lorentz. In particolare, per i coefficienti che violano CPT otteniamo i vincoli più forti ad oggi, anche considerando osservabili non cosmologiche. Per concludere, analizziamo gli effetti di teorie della gravità scalari-tensoriali che violano la parità durante l’inflazione, concentrandoci sulla non-Gaussianità delle onde gravitazionali primordiali. Calcoliamo la predizione teorica per il bispettro primordiale e discutiamo le prospettive per un’osservazione di questi effetti di violazione di parità tramite esperimenti di CMB futuri.

In this Thesis we exploit the latest cosmological observations to constrain fundamental physics scenarios that go beyond the standard models of cosmology and particle physics. We start by considering Macroscopic Dark Matter (MDM) candidates, which represent an appealing alternative to particle dark matter. We focus on the process of proton capture by MDM and constrain the parameter space of Macros using three cosmological probes: (i) the change in the baryon density between the epochs of the Big Bang Nucleosynthesis (BBN) and the Cosmic Microwave Background (CMB) decoupling; (ii) the production of spectral distortions in the CMB spectrum; (iii) the kinetic coupling between charged MDM and baryons at the time of CMB decoupling. We also show how future spectral distortions experiments, like PIXIE and SuperPIXIE, will allow us to improve these bounds. Then, we focus on thermal axion-like particles (hereafter axions), which are produced in the early Universe from scatterings between particles belonging to the primordial thermal bath. Depending on their mass, thermal axions can behave as a hot, warm or cold dark matter component. Using the latest observations of CMB anisotropies by Planck and of Baryon Acoustic Oscillations from galaxy surveys, we constrain the couplings of axions to photons and gluons. We compare these bounds with the constraints derived from laboratory and astrophysical probes. In the second part of the Thesis, we focus on the polarization of the CMB as a probe to test possible violations of fundamental symmetries. First, we consider models that extend Maxwell’s electrodynamics by introducing renormalizable operators which break Lorentz invariance. These consist in two terms, one of which violates also CPT symmetry. Using the most recent observations of CMB polarization, we derive strong bounds on the Lorentz-violating coefficients. In particular, for the CPT-odd coefficients we obtain the strongest constraints to date, even considering non-CMB probes. Finally, we analyze the effects of chiral scalar-tensor theories of gravity during inflation, focusing on the non-Gaussianity of primordial gravitational waves. We compute the theoretical prediction for the primordial bispectrum and we discuss the prospects for detecting such parity-violating signatures with future CMB experiments.