Constraining the dark components of the Universe through CMB and Large Scale Structure

La cosmologia ha fatto molta strada dalla sua nascita. Oggi, la cosmologia `e diventata una scienza di precisione in cui misure accurate sono possibili. La missione Planck ha rappresentato una tappa fondamentale nella nostra comprensione dell’Universo. Le misure delle anisotropie della radiazione cosmica di fondo (CMB) hanno consolidato il modello cosmologico standard LambdaCDM, fornendo forti vincoli alla fisica dell’Universo primordiale. Nonostante la ricchezza di informazioni che possiamo ricavarne, le anisotropie della CMB ci permettono di vincolare solo una parte della storia dell’Universo, in quanto ci consentono di porre solo deboli vincoli sui parametri da cui dipende l’evoluzione dell’Universo a tempi pi`u tardi. Inoltre, il modello LambdaCDM non ci dice molto sull’epoca inflazionaria. La parte rimanente della storia `e codificata nell’evoluzione e nella distribuzione della materia nell’Universo, e le loro cross-correlazione con le misure della CMB. Le survey di galassie hanno gi`a migliorato i vincoli ai parametri del modello LCDM e, inoltre, hanno evidenziato una preferenza per il modello LCDM quando altri parametri liberi sono aggiunti, come l’energia oscura o la curvatura dell’Universo. La misura del late-iSW nella cross-correlazione di CMB e galaxy number count `e un’utile, e per certi versi unica, probe per investigare le domande fondamentali riguardanti l’epoca pi`u recente dell’Universo. In questa tesi presento il lavoro che ho svolto durante il mio dottorato per il satellite Euclid, il cui lancio `e programmato per l’estate 2023. In particolare, ho lavorato nel team CMBX Science Working Group di Euclid per lo sviluppo della pipeline per la ricerca del segnale del late iSW nella cross-correlazione tra le misure di CMB e quelle di galaxy number counts di Euclid. La mia attivit`a in Euclid ha riguardato lo sviluppo e l’analisi del codice di likelihood nella pipeine end-to-end. Inoltre, ho effettuato dei forecasts per Euclid sempre nell’ambito della cross-correlazione per lo studio del late-iSW. Lo sviluppo della likelihood `e stato usato per la maggior parte delle attivit`a di validazione e analisi nel gruppo CMBX, a molte delle quali ho preso parte in prima persona. In questa tesi discuto anche la mia attivit`a nello sviluppo della likelihood nell’interfaccia CLOE della likelihood di Euclid. Infine, presento le attivit`a che ho svolto al di fuori di Euclid, in cui ho esplorato alcune domande fondamentali riguardanti la natura della materia oscura, in particolare la sua stabilit`a nell’Universo.

Cosmology has come a long way since its inception. Today, Cosmology has become a pre-cision Science in which precise measurements of the sky are possible. The Planck mission was no less than a milestone in our understanding of the Universe. The measurement of the anisotropy in the Cosmic Microwave Background (CMB) made by Planck placed the standard cosmological model - the ΛCDM - on a firm footing, thereby strongly constraining the Physics of the early universe. Despite its richness and glory, the primary and secondary anisotropies of the CMB are only a part of the cosmic story and it loosely constrains the parameters to which the later evolution of the universe is sensitive. Additionally, the ΛCDM model has little to say about the inflationary epoch of the Universe. The remaining part of the story is hidden in the evolution and istribution of matter perturbations in the Universe and their cross-correlation with measurements of the CMB. Already existing galaxy surveys have put tighter constraints on the parameters of the standard ΛCDM models and, furthermore, prefer the ΛCDM model when additional free parameters are added, such as dark energy or curvature of the Universe. The late-iSW signal in the cross-correlation of temperature and galaxy number count measurement is useful, perhaps also a unique, probe of the fundamental cosmological question concerning the later epoch of the universe. In this thesis, I outline my work for the Euclid experiment which is set to launch in the summer of 2023. In particular, I worked in the MBX Science Working Group of Euclid in the development of the pipeline to search for the signal of the late-iSW effect of CMB in the cross-correlation of CMB with the measurement of galaxy number counts in Euclid. My activities in Euclid concerned the development and analysis of the likelihood code in the end-to-end pipeline. In addition, I also made performance forecasts for Euclid for the late-iSW cross-correlation probe. The developed likelihood has been used to perform the bulk of the validation activity and analysis in the group much of which I have been a part of. I also outline my activity in the development of the likelihood in the official Euclid likelihood interface CLOE. I also elaborate on my activities outside Euclid in exploring the fundamental questions concerning the nature of dark matter, in particular the stability of dark matter in the Universe.