Limiti sugli assioni ultra leggeri dalla funzione di auto-correlazione dell'idrogeno neutro

The goal of this thesis is to place limits on some aspects of dark matter by assuming that a part of it is composed of ultra-light axions (ULAs). In particular, the analysis will lead to limit the mass and the mass fraction of the ULAs. To do so, unlike many articles and research that have used the power spectrum of the CMB to give limits to dark matter, we will use the auto-correlation function of neutral hydrogen (HI) and we will compare the result with the measurement obtained with the Arecibo Legacy Fast ALFA (ALFALFA) survey catalogue. Specifically, we will calculate the auto-correlation function both with and without ULAs and then compare these two models to understand in which cases it is more convenient to talk about axions or not. To calculate the auto-correlation function we will mostly follow for the general formalism of the correlation function and then we will use the halo model with the most recent fitting functions to model the HI quantities like the HI mass contained in halos and the HI density profile. Once the whole framework has been defined we will calculate the HI auto-correlation functions for each pair of values (axion mass and axion energy-density fraction). We will then compare the axion and no-axion model using the chi squared test and then build a 2D plane to define the preferable values of ULAs. This study, therefore allows us to obtain new information on dark matter using a relatively new method.

L'obiettivo di questa tesi è porre dei limiti ad alcuni aspetti della materia oscura assumendo che una parte di essa sia composta da assioni ultraleggeri (ULAs). In particolare, l'analisi porterà a limitare la massa e la frazione di massa (rispetto alla classica CDM) degli ULAs. Per farlo, a differenza di molti articoli e ricerche che hanno utilizzato lo spettro di potenza della CMB per dare limiti alla materia oscura, utilizzeremo la funzione di autocorrelazione dell'idrogeno neutro (HI) e confronteremo il risultato con le misure ottenute da Arecibo Legacy Fast ALFA (ALFALFA). Nello specifico, calcoleremo la funzione di autocorrelazione sia con che senza ULAs e poi confronteremo questi due modelli per capire in quali casi sia più conveniente parlare di assioni o meno. Per calcolare la funzione di autocorrelazione seguiremo principalmente per il formalismo generale della funzione di correlazione e poi utilizzeremo il modello ad aloni con le funzioni di fitting più recenti per modellizzare le quantità relative all'HI come la massa d'idrogeno contenuta negli aloni e il profilo di densità dell'HI. Una volta definito l'intero framework utilizzeremo python con le librerie COLOSSUS e axionCAMB per calcolare le funzioni di autocorrelazione dell'HI per ogni coppia di valori (massa dell'assione e frazione di densità d'energia dell'assione). Confronteremo quindi il modello assionico e non-assionico utilizzando il test del chi quadro per poi costruire un piano 2D con i valori preferibili degli ULAs. Questo studio ci permette quindi di ottenere nuove importanti informazioni sulla materia oscura utilizzando un metodo relativamente nuovo.