Phénomènes hors équilibre dans l'univers inflationnaire en théorie quantique des champs

Out of equilibrium phenomenas in the inflationary universe in quantum field theory

• Auteur / Autrice : Alexandre Giraud
• Direction : Julien Serreau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Champs, particules, matière
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cosmologie

Théorie quantique des champs

Univers inflatoire

Résumé

Dans cette thèse j'étudie le reheating de l'Univers inflationnaire. Cette ère fait le lien entre l'inflation de l'Univers et le modèle du Big-Bang chaud. Pendant celle-ci, l'Inflaton se désintègre en matière qui, via ses propres interactions, thermalise et donne une description statistique au contenu de l'Univers. Ce travail est réalisé dans le cadre d'une théorie quantique des champs utilisant des méthodes hors équilibre telle que l'action effective 2-Particule-lrreductible permettant de faire face aux difficultés de la théorie quantique des champs hors équilibre traditionelle. J'étudie premièrement le cas où la matière produite peut être décrite par des champs scalaires puis par des degrés de liberté fermioniques, où l'approximation classique n'existe pas. Je développe l'action effective à l'ordre sous dominant d'un développement non perturbatif en inverse du nombre de champs de matière ce qui permet d'explorer des théories où la matière est fortement couplée à elle-même. Dans une deuxième partie j'étudie la décohérence des fluctuations primordiales de densité. L'inflaton peut être vu comme un condensât quantiquement cohérent et sa désintégration comme une décohérence de celui-ci. Cette décohérence et perte de pureté est fortement liée à la perte d'information qu'un observateur a sur le système si il se restreint au sous-espace Gaussien des fonctions de corrélations. Cette étude montre que, même dans le cadre peu habituel où le système n'est pas en interaction avec un environnement extérieur incohérent et/ou thermique, celui-ci perd sa pureté et sa cohérence initiale au profit d'une production du nombre de degré de liberté ou d'entropie.

In this thesis I study the reheating era of the inflationarry Universe. This makes the link between the inflation of the Universe and the hot Big-Bang model. During it, the inflaton decays into matter which thermalises by its self interaction giving a statistical description to the Universe content. This work is realised in the quantum filed theory setup using out-of-equilibrium methods such as the 2-Particle-Irreducible effective action which allows to deal with the usual difficulties of out-of-equilibrium quantum field theory. First I study the case where matter is represented by scalar fields then by fermionic degrees of freedom, where classical approximation does not exist. I expand the effective action to the Next-to-Leading Order in an inverse number of matter fields expansion which allows to explore theories where the matter is strongly coupled to itself. In a second part I study the decoherence of primordial density fluctuations. The Inflaton can be seen as a quantum coherent condensate and its decay as a decoherence. This decoherence and this loss of purity is strongly related to the loss of information an observer has on the System if he's retrained to the Gaussian correlation functions subspace. This work shows that, even in the unusual case where the System is not coupled to an external thermal and/or incoherent environment, this one loose its initial coherence and purity to product degrees of freedom or entropy.