Studio del settore oscuro attraverso la struttura a grande scala dell’universo.

This thesis reviews the impact of potential new forces in the dark sector on the large-scale distribution of galaxies. The dark sector is a part of the Universe that is not composed of ordinary matter or ordinary radiation, but can be detected through its gravitational effects. Special attention is given to extensions of perturbation theory that incorporate new dark sector dynamics beyond the standard ΛCDM model. These theoretical frameworks allow for a systematic treatment of non-linear gravitational clustering while accounting for physics beyond the standard model. In this thesis, axions are explored as a potential way to alleviate the $S_8$ tension. The scale-dependent suppression of the matter power spectrum induced by axion dark matter could reconcile discrepancies between CMB data and smaller-scale observations such as galaxy clustering and weak lensing. Results from the scientific article analyzed indicate that combining CMB, BAO, and supernova data allows for lower values of $S_8 = 0.774^{+0.032}_{-0.037}$ at $m_a = 10^{-25},\text{eV}$, compared to the standard ΛCDM prediction of $S_8 = 0.827 \pm 0.010$. The current state of research indicates that observational data already place strong constraints on such interactions, and forecasts suggest that future surveys will significantly tighten these bounds, potentially by an order of magnitude.

Questa tesi esamina l'impatto di potenziali nuove forze nel settore oscuro sulla distribuzione delle galassie su grande scala. Il settore oscuro è una parte dell'’Universo che non è composta da materia ordinaria né da radiazione ordinaria, ma che può essere rilevata attraverso i suoi effetti gravitazionali. Particolare attenzione è rivolta alle estensioni della teoria delle perturbazioni che incorporano nuove dinamiche del settore oscuro, al di là del modello ΛCDM standard. Questi quadri teorici consentono un trattamento sistematico dell'aggregazione gravitazionale non lineare, tenendo conto di ulteriori fenomeni fisici. In questa tesi gli assioni vengono studiati come possibile soluzione alla tensione su $S_8$. La soppressione dipendente dalla scala dello spettro di potenza della materia, indotta dalla materia oscura assionica, potrebbe riconciliare le discrepanze tra i dati della radiazione cosmica di fondo (CMB) e le osservazioni su piccola scala, come il clustering galattico e il lensing debole. I risultati dell'articolo analizzato mostrano che la combinazione di dati CMB, BAO e supernovae favorisce valori più bassi di $S_8 = 0.774^{+0.032}_{-0.037}$ per $m_a = 10^{-25}\,\text{eV}$, rispetto alla previsione standard del modello ΛCDM di $S_8 = 0.827 \pm 0.010$. Lo stato attuale della ricerca indica che i dati osservativi pongono già forti vincoli a tali interazioni e le previsioni suggeriscono che le future survey restringeranno significativamente questi limiti potenzialmente di un ordine di grandezza.