Aspects multichamps dans l'univers primordial : inflation et réchauffement

Multifield aspects in the early Universe : Inflation and Reheating

• Auteur / Autrice : Lucas Pinol
• Direction : Jérôme Martin, Sébastien Renaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique théorique
• Date : Soutenance le 25/06/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'astrophysique de Paris (1936-....)
• Jury : Président / Présidente : Nick Kaiser
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Langlois, Ana Achúcarro
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Wands, Daniel Baumann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gauss, Loi de (statistique)

Perturbation (théorie quantique)

Univers inflatoire

Champs scalaires

Cosmologie

Mots clés libres

Cosmologie

Inflation

Multichamps

Non-gaussianités primordiales

Inflation stochastique

Réchauffement

Multifield inflation

Primordial non-Gaussianities

Reheating

Résumé

Cette thèse de doctorat traite des aspects théoriques et phénoménologiques de l'inflation cosmologique lorsqu'elle est provoquée par la présence de plusieurs champs scalaires. Après quelques rappels à propos du cadre relativiste dans lequel s’inscrit la cosmologie physique contemporaine, une introduction au paradigme inflationnaire au niveau homogène et linéaire est proposée, non seulement dans le cadre à un champ mais aussi multichamps. S’ensuit une étude approfondie des non-gaussianités primordiales. Il est montré que l’inflation multichamps laisse des traces caractéristiques dans ces déviations à la statistique gaussienne des fluctuations primordiales. Un intérêt particulier est porté aux effets géométriques dus à la courbure de l’espace interne de ces champs scalaires. Cette thèse montre aussi comment étendre le formalisme stochastique aux théories inflationnaires multichamps avec des termes cinétiques non canoniques. Elle dévoile une ambiguïté présente de manière générique dans le formalisme usuel et, en s'appuyant sur la nature fondamentalement quantique du système, en propose une résolution à la fois pratique et conceptuellement satisfaisante. Enfin, l’époque de réchauffement après l’inflation multichamps est étudiée. Il est expliqué comment coupler ces champs scalaires à des fluides cosmologiques. Ceci permet de suivre la dynamique de l’inflation, du (p)réchauffement et des ères de radiation et de matière au niveau homogène et linéaire, sans spécifier de manière ad hoc leurs transitions. Dans ces modèles à plusieurs espèces, une quantité importante de perturbations non-adiabatiques sont transmises du secteur scalaire aux fluides de radiation et de matière.

This PhD thesis aims at studying theoretical and phenomenological aspects of cosmic inflation when it is driven by the presence of several scalar fields. After some reminders about the relativistic framework in which modern physical cosmology is embedded, one proposes an introduction to the inflationary paradigm, at the level of the homogeneous Universe but also of linear perturbations, both for single-field and multifield scenarios. Then, primordial non-Gaussianities are investigated. It is shown that multifield inflation results in specific patterns in these deviations of primordial fluctuations from Gaussian statistics. A particular emphasis is put on the observational signatures of the geometrical effects due to the curvature of the internal field space. This thesis also shows how to extend the stochastic formalism to multifield inflationary models with non-canonical kinetic terms. It reveals an ambiguity that is generically present in the usual formalism and, by considering the very quantum nature of the system, proposes a resolution that is both practical and conceptually satisfying. Last but not least, the period of reheating after multifield inflation is studied. It is explained how to couple those scalar fields to cosmological fluids. This enables to follow the dynamics of inflation, (p)reheating, and the eras of radiation and matter dominations, both at the homogeneous and linear levels, without having to specify by hand their transitions. In these multi-species models, an important quantity of non-adiabatic perturbations is transferred from the scalar sector to the fluids of radiation and matter.