Cosmological cross-correlations as a probe of new physics

In an era of precision cosmology, cross-correlations between cosmological observables offer a powerful approach to testing new physics beyond the standard model and deepening our understanding of the universe. This thesis explores the potential of these techniques to probe fundamental phenomena, exploiting them as tools to reveal subtle signals that might otherwise remain hidden. Our work begins by developing a novel framework that leverages cosmic voids as unique environments for investigating particle dark matter. By cross-correlating unresolved gamma-ray background radiation with gravitational tracers like cosmic shear and galaxy number counts, we uncover that cosmic voids offer a particularly promising "background-free" region for detecting signals from dark matter decay. While current instruments such as the Fermi-LAT telescope are not yet sensitive enough, we demonstrate that future detectors with improved angular resolution and exposure could significantly constrain the properties of dark matter, particularly its decay lifetime, across a wide range of masses. We then shift our focus to parity violating physics, presenting the first-ever cross-correlation between anisotropic cosmic birefringence and the spatial distribution of galaxys as a probe of axion physics. By exploring ultralight axion models, our analysis constrains the axion-photon coupling with an unprecedented level of precision, showing how the combination of cosmic birefringence and galaxy surveys can provide a powerful probe of parity-violating physics in the dark sector. Lastly, we turn to the upcoming Euclid mission, whose data will revolutionize our understanding of the large-scale structure of the universe. We establish a robust framework for cross-correlating Euclid’s galaxy clustering data with the late integrated Sachs-Wolfe effect, showing how this synergy will refine constraints on cosmological parameters and offer deeper insights into the effects of dark energy on cosmic evolution. This thesis demonstrates how cross-correlations between cosmological probes can unlock new avenues for exploring the fundamental laws of nature, providing a versatile and promising method to test the most pressing questions about the universe’s composition and its ongoing expansion.

In un'era di cosmologia di precisione, le cross-correlazioni tra osservabili cosmologici offrono un approccio potente per testare la nuova fisica oltre il modello standard e approfondire la nostra comprensione dell’universo. Questa tesi esplora il potenziale di queste tecniche per sondare fenomeni fondamentali, sfruttandole come strumenti per rivelare segnali sottili che altrimenti rimarrebbero nascosti. Il nostro lavoro inizia sviluppando un nuovo quadro teorico che utilizza i void cosmici come ambienti unici per investigare la materia oscura particellare. Attraverso la cross-correlazione tra la radiazione gamma diffusa non risolta e traccianti gravitazionali come il cosmic shear e il conteggio delle galassie, dimostriamo che i void cosmici offrono una regione particolarmente promettente, priva di fondo, per rilevare segnali provenienti dal decadimento della materia oscura. Sebbene gli strumenti attuali, come il telescopio Fermi-LAT, non siano ancora abbastanza sensibili, mostriamo che futuri rivelatori con una migliore risoluzione angolare e maggiore esposizione potrebbero vincolare significativamente le proprietà della materia oscura, in particolare il suo tempo di decadimento, su un ampio intervallo di masse. Spostiamo poi l'attenzione sulla fisica che viola la parità, presentando la prima cross-correlazione mai realizzata tra la birifrangenza cosmica anisotropa e la distribuzione spaziale delle galassie come strumento per sondare la fisica degli assioni. Esplorando modelli di assioni ultraleggeri, la nostra analisi vincola il coefficiente di accoppiamento assione-fotone con un livello di precisione senza precedenti, mostrando come la combinazione di birifrangenza cosmica e survey di galassie possa fornire un potente metodo per indagare la fisica che viola la parità nel settore oscuro. Infine, ci rivolgiamo alla prossima missione Euclid, i cui dati rivoluzioneranno la nostra comprensione della struttura a grande scala dell'universo. Stabiliamo un solido quadro teorico per la cross-correlazione tra i dati sul clustering delle galassie di Euclid e l'effetto integrato di Sachs-Wolfe tardivo, dimostrando come questa sinergia raffinerà i vincoli sui parametri cosmologici e offrirà una comprensione più profonda degli effetti dell'energia oscura sull'evoluzione cosmica. Le cross-correlazioni tra traccianti cosmologici aprono dunque nuove strade per esplorare le leggi fondamentali della natura, fornendo un metodo versatile e promettente per testare le questioni più urgenti sulla composizione dell'universo e sulla sua espansione in corso.