Lo sforzo di numerosi esperimenti a terra (i.e. Atacama Cosmology Telescope e il South Pole Telescope) coadiuvati sia da importanti missioni satellitari (i.e. il satellite Planck) che da missioni su pallone stratosferico (SPIDER, LSPE) ha permesso alla cosmologia grandi passi avanti soprattutto nello studio della polarizzazione della Radiazione Cosmica di Fondo (CMB).
Nonostante i notevoli miglioramenti in campo tecnologico (i.e. criogenia e detector, utilizzo di metamateriali per i componenti ottici), gli esperimenti sono fortemente limitati dagli effetti sistematici introdotti dall'esperimento stesso e dai foregrounds, che inquinano la misura. Se da un lato si cerca di arginare il secondo problema costruendo degli esperimenti con il solo scopo di misurare i foregrounds, il primo problema non è di facile risoluzione e richiede diverse tecniche per essere mitigato.
Il progetto di ricerca presentato ha come scopo l'utilizzo di un nuovo approccio alla progettazione degli esperimenti volto a migliorare la mitigazione delle sistematiche. Usando il formalismo di Muller generalizzato in tre dimensioni e tecniche di "transfer function matrix" si riduce gran parte dell'esperimento ad un operatore matematico 9X9 con il quale, senza fare approssimazioni, è possibile approcciare analiticamente gli effetti sistematici.
Tale rigorosità matematica permette di combinare diverse tecniche di misura sfruttando i rispettivi vantaggi: ad esempio, è possibile trasformare un semplice interferometro Martin-Pupplett, che ha una intrinseca capacità di ridurre le sistematiche, in uno spettro-polarimetro per la CMB.
Le tecniche di interferometria e polarimetria sviluppate dal nostro laboratorio negli ultimi anni, unitamente all'impiego innovativo del formalismo di Muller, ci consentono di progettare un esperimento in grado di mitigare intrinsecamente gli effetti sistematici, e di conseguenza di rispondere con maggiore precisione alle attuali sfide nel campo della cosmologia osservativa.
L'approccio analitico agli effetti sistematici e alla progettazione degli esperimenti è un campo ancora poco esplorato in cosmologia. Questo probabilmente perché gli esperimenti tendono ad essere molto complicati e quindi la trattazione matematica puó risultare lunga e tediosa, nonostante l'approccio del formalismo di Muller presenti notevoli vantaggi. Infatti, date le elevate sensibilità degli esperimenti di solito le sistematiche vengono misurate a posteriori attraverso l'osservazione di calibratori, integrati nell' esperimento, oppure di sorgenti di calibrazione in cielo. Tuttavia, tale approccio non presenta tutti i vantaggi di uno analitico. La differenza sostanziale e l'avanzamento delle conoscenze rispetto allo stato dell'arte stanno nella possibilità di produrre forecast realistici sugli effetti sistematici, oppure di inserirli nella propria pipeline di analisi dati. Sempre più esperimenti in fase progettuale inseriscono infatti nei loro forecast effetti sistematici, o almeno quelli di maggiore impatto. Solitamente questi vengono inseriti come una variazione casuale di uno dei parametri dell'esperimento: un errore statistico di misurazione, una imperfezione nella movimentazione di parti ottiche, ecc. Il nostro approccio, invece, è molto più rigoroso e non solo consente di vedere nei forecast l'effetto della sistematica (a priori) ma rende possibile, in fase di analisi dati, tentare di rimuovere la sistematica (a posteriori). E' oltretutto importante notare che alcuni effetti sistematici sono mitigabili solo se conosciuti analiticamente poiché si mescolano perfettamente all'osservabile: per esempio, la precessione indotta su un rotatore di polarizzazione crea degli effetti che si mescolano nel segnale con lo stesso spettro spaziale.
Il paper Systematic effects induced by half wave plate precession into cosmic microwave background polarization measurements A&A, 2019, Vol. 627 è stato uno dei primi ad utilizzare interamente questo approccio ed ha sortito notevole successo nella comunità scientifica. Ogni avanzamento in questo senso, sia studiando altre sistematiche che progettando interamente un esperimento utilizzando questa metodologia, rappresenta un progresso delle conoscenze allo stato dell'arte.