# name
The bispectrum statistic in the era of precision cosmology

# metadata.dc.contributor.other[].value
Universitat de Barcelona. Departament de Física Quàntica i Astrofísica

# metadata.dc.description.abstract[].value
[eng] The ωCDM model has long been established as the standard model of cosmology, describing our observations of both early and late timeUniverse in a remarkably accurate and simple way. However, the nature of most of its components–dark matter and dark energy–is fundamentally unknown. Meanwhile, tensions such as those observed in the Hubble constant measurements [1, 2] or in the dark energy behaviour [3, 4] become increasingly significant. Most of the cosmological results that have been responsible for the development and testing of the ωCDM model have traditionally involved some form of two-point statistics–either the two-point correlation function or its Fourier counterpart, the power spectrum. Two-point statistics cannot, by definition, exploit all the information encoded in the cosmic density field, since the effect of gravity transfers some of this information to higher-order statistics. The lower next-order statistics are the three-point correlation function and its equivalent in Fourier space, the bispectrum. As our observational capabilities advance with the latest generation of surveys, such as the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) [5], now is a key moment to push beyond traditional two-point statistics. This thesis works towards this mission, by developing a framework for performing joint analyses involving both the power spectrum and bispectrum of large-scale structure. In the first part of this thesis, we provide the building blocks of our framework: we design the GEO-FPT model in [6], which is based on perturbation theory while incorporating corrections inspired by geometrical properties of the bispectrum that we see in cosmological simulations. This allows us to extend our bispectrum modelling into the mildly non-linear regime, which translates into a significant increase of its constraining power on cosmological parameters, such as the size and shape of the baryon acoustic oscillations (BAO), the growth rate of structure, and the imprint of early- and late-time physics on the shape of the power spectrum. Additionally, in [7] we explore another important aspect for our proposed joint power spectrum and bispectrum analysis, the covariance matrix. In particular, we test the validity of a common approximation: only considering the elements in the covariance diagonal. Such an approach results, within our analysis choices, in an underestimation of up to → 10% in the recovered cosmological parameters error bars. In the second part of this thesis, we make the non-trivial transition towards implementing our pipeline to real galaxy data, targeting the DESI Data Release 1 (DR1).We start by addressing a distinctive feature of the DESI analysis, which is the fact that, with the goal of mitigating confirmation bias, all official analyses are performed with data that is blinded at a catalogue level, until all choices are fixed. In [8],we test the effect in the bispectrum of the two most relevant parts (for our analysis) of the DESI official blinding scheme.We find that our power spectrum and bispectrum data-vector recovers the predicted constraints on the blinded data, consequently enabling us to follow the DESI blinding policy in our bispectrum analysis. Finally, in which is the culmination of this thesis, in [9] we perform full-shape analysis of the power spectrum and bispectrum of DESI DR1. By using the data from Luminous Red Galaxies and quasars, we effectively trace →10 billion years of Universe evolution. After rigorously quantifying the systematic error budget, we constrain cosmological parameters to a higher degree of precision than the existing analyses that were based solely on two-point statistics. These measurements are compatible with the official DESI DR1 power spectrum results [10] and with the fiducial Planck ωCDM cosmology [2].We will continue to explore the compatibility of our results with ωCDM and its extensions in a follow-up work [11]. This thesis addresses the challenges and necessity of including higherorder statistics into the analyses of current and future galaxy surveys, in a step towards using the data to its full potential. This can only elevate our ability to test the strengths and weaknesses of the ωCDM model and its myriad alternatives, with the ultimate goal of deepening our understanding of the fundamental physics driving the Universe that we see today.

# metadata.dc.description.abstract[].value
[cat] El model LambdaCDM fa temps que s’ha establert com el "model estàndard" de la cosmologia, descrivint les nostres observacions tant de l’Univers primigeni com de l’Univers més proper d’una manera remarcablement precisa i senzilla. No obstant això, la naturalesa de la majoria dels seus components (la matèria fosca i l’energia fosca) és fonamentalment desconeguda, a la vegada que tensions com les observades en les mesures de la constant de Hubble o en el comportament de l’energia fosca esdevenen cada cop més significatives. La major part dels resultats cosmològics responsables pel desenvolupament i la comprovació del model LambdaCDM han utilitzat tradicionalment alguna forma de quantitats estadístiques de segon ordre--ja sigui la funció de correlació de dos punts o la quantitat anàloga en espai de Fourier, l’espectre de potències ("power spectrum", en anglès). Els estadístics de segon ordre no poden, per definició, aprofitar tota la informació present en el camp de densitats cosmològiques, on l’efecte de la gravetat transfereix part d’aquesta informació a estadístics d’ordre superior. Entre aquests estadístics d’ordre superior, els d'ordre més baix són la funció de correlació de tres punts i la seva equivalent en espai de Fourier, el bispectre. A mesura que la nostra capacitat observacional avança amb la darrera generació de cartografiats de galàxies, com el Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), ara és un moment clau per anar més enllà dels estadístics de segon ordre tradicionals. Aquesta tesi treballa en aquesta direcció, aportant avenços tant teòrics com observacionals respecte la realització d'anàlisis conjuntes que involucrin tant el power spectrum com el bispectre de les grans estructures ("large-scale structure"). A la primera part d’aquesta tesi, proporcionem els elements bàsics del nostre treball: dissenyem el model GEO-FPT, que es basa en la teoria estàndard de pertorbacions, tot incorporant correccions inspirades en propietats geomètriques del bispectre que observem en simulacions cosmològiques. Això ens permet ampliar la modelització del bispectre fins a règims no lineals, cosa que es tradueix en un increment significatiu de la seva capacitat d'estimar paràmetres cosmològics, com ara la mida i la forma de les oscil·lacions acústiques de barions (BAO), el creixement de l’estructura o l’empremta de la física primigènia i tardana en la forma del power spectrum. Després, explorem un altre aspecte important per a la nostra anàlisi conjunta de power spectrum i bispectre: la matriu de covariància. En particular, posem a prova la validesa d’una aproximació que sovint es duu a terme: considerar únicament els elements de la diagonal de la covariància. Constatem que, dins d'un rang d'escales similar al de la nostra anàlisi, aquesta aproximació provoca la subestimació aproximada de fins a un ~10% en les barres d’error dels paràmetres cosmològics inferits. A la segona part d’aquesta tesi, fem la transició no trivial d’implementar el nostre model a dades reals de galàxies, concretament al Data Release 1 (DR1) de DESI. Comencem tractant un tret distintiu de l’anàlisi de DESI, que és el fet que, amb l’objectiu de mitigar el biaix de confirmació, les anàlisis oficials es realitzen amb dades encriptades ("blinded") a nivell de catàleg, fins que totes les decisions estan fixades. Observem l’efecte en el bispectre de les dues parts més rellevants (per a la nostra anàlisi) de l'estratègia de blinding oficial de DESI, i constatem que el nostre vector combinat de power spectrum i bispectre recupera els valors esperats en les dades "blinded". Això ens permet seguir la política de blinding de DESI en la nostra anàlisi del bispectre. Finalment, com a culminació d’aquesta tesi, duem a terme una anàlisi del power spectrum i el bispectre del DR1 de DESI. Tot utilitzant dades de galàxies lluminoses vermelles (Luminous Red Galaxies) i quàsars, tracem uns ~10.000 milions d’anys d’evolució de l’Univers. Després de quantificar rigorosament el conjunt d’errors sistemàtics, estimem els paràmetres cosmològics amb un grau de precisió superior als anàlisis existents basats només en estadístics de segon ordre. Aquestes mesures són compatibles amb els resultats oficials del power spectrum de DESI DR1 i amb Planck LambdaCDM. Continuarem explorant la compatibilitat dels nostres resultats amb LambdaCDM i les seves extensions en un treball posterior. Aquesta tesi aborda el repte i la necessitat de modelitzar i incorporar estadístics d’ordre superior en les anàlisis dels cartografiats de galàxies presents i futurs, fent un pas endavant cap a l'aprofitament de les dades en tot el seu potencial. Això només pot millorar la nostra capacitat per posar a prova els punts forts i febles del model LambdaCDM i les seves nombroses alternatives, amb l’objectiu últim d’aprofundir en la comprensió de la física fonamental que impulsa l’Univers que observem avui.

# metadata.dc.source[].value
Tesis Doctorals - Departament - Física Quàntica i Astrofísica

# metadata.dc.title[].value
The bispectrum statistic in the era of precision cosmology