Dottorato in ASTRONOMY, ASTROPHYSICS AND SPACE SCIENCE

Titolo della tesi: Towards accurate measurements of primordial CMB B-modes: studies of instrumental systematic effects for the LiteBIRD mission

Negli ultimi decenni, le osservazioni del Fondo Cosmico a Microonde (Cosmic Microwave Background, CMB) hanno consolidato il modello cosmologico LambdaCDM, permettendo misure precise dei parametri fondamentali e offrendo profonde intuizioni sull’evoluzione dell’Universo. Futuri esperimenti, come il satellite LiteBIRD, mirano a misurare la polarizzazione della CMB con una sensibilità senza precedenti, offrendo un’opportunità unica per sondare la fisica dell’Universo primordiale e affrontare alcune delle questioni fondamentali della cosmologia, come l’origine delle piccole disomogeneità iniziali che hanno dato origine alla struttura a larga scala osservabile oggi. Una possibile spiegazione è fornita dall'inflazione cosmica, un periodo di espansione estremamente rapida nei primi istanti dell’Universo. Alcune teorie inflazionarie prevedono l’esistenza di un fondo stocastico di onde gravitazionali primordiali, che dovrebbe lasciare un’impronta distintiva nella polarizzazione della CMB, sotto forma dei cosiddetti B-modes. Questo segnale è parametrizzato dal tensor-to-scalar ratio r, che LiteBIRD mira a misurare con una precisione di δr< 10^-3. Per raggiungere questo obiettivo, la missione impiegherà delle Half-Wave Plate (HWP) per modulare la radiazione polarizzata e dei rivelatori bolometrici altamente sensibili (Transition-edge sensors, TES) per misurarla con la precisione richiesta. Questa tesi contribuisce allo sviluppo della missione LiteBIRD studiando l’impatto delle sistematiche strumentali sulla capacità dell’esperimento di vincolare r. In questo contesto, si sviluppa uno specifico simulatore, adatto a testare diverse configurazioni strumentali. La tesi sottolinea l’importanza di analizzare l’interazione tra più sistematiche strumentali, compiendo un ulteriore passo avanti nella pipeline di analisi dati dei futuri esperimenti CMB. In primo luogo, vengono introdotti il contesto scientifico e la fisica della CMB (Capitolo 1), per poi presentare la missione LiteBIRD e alcuni dei suoi principali elementi strutturali (Capitolo 2). Qui viene anche presentata la corrente fase di rescoping dello strumento. Il Capitolo 3 descrive la pipeline di analisi dati di un esperimento per CMB, prendendo LiteBIRD come riferimento. In particolare, Sez. 3.2.2 presenta il LiteBIRD Simulation Framework, al quale ho contribuito, ed è ulteriormente descritto in Tomasi et al., 2025. Il Capitolo 4 discute poi specifici effetti sistematici legati alle HWP e ai rivelatori TES, illustrandone sia i principi di funzionamento sia le non-idealità. Per valutarne l’impatto sulla stima dei parametri cosmologici, si descrive inoltre la loro implementazione nelle simulazioni che riproducono l'acquisizione di dati da parte del satellite. Seguendo tutte le fasi di una simulazione end-to-end, si propagano le non-idealità strumentali per ricavare i requisiti strumentali necessari per raggiungere la sensibilità attesa della missione. I risultati di questa analisi sono stati pubblicati in Micheli et al., 2024. Analogamente, sono stati studiati simili effetti per i nuovi design proposti. In particolare, si derivano dei limiti superiori sulla parametrizzazione della non linearità dei rivelatori. Inoltre, il Capitolo 5 introduce un algoritmo alternativo che permette di simulare tali effetti sistematici direttamente sulle mappe. Infine, il Capitolo 6 presenta alcune tecniche di mitigazione utili a trattare le non-idealità e soddisfare i requisiti della missione.