À la recherche d'une nouvelle physique avec la cosmologie de précision du CMB

Searching for new physics with CMB precision cosmology

• Auteur / Autrice : Guillermo Franco Abellan
• Direction : Julien Lavalle, Vivian Poulin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et astrophysique
• Date : Soutenance le 18/07/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Univers et Particules de Montpellier (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Ruth Durrer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Lavalle, Vivian Poulin, Ruth Durrer, Yacine Ali-Haimoud, Kimberly Boddy, Julien Lesgourgues, Olga Mena Requejo, Licia Verde
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yacine Ali-Haimoud, Kimberly Boddy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neutrinos

Cosmologie

Fond diffus cosmologique

Astrophysique

Matière noire (astronomie)

Mots clés libres

Matière noire

Astrophysique des particules

Fond diffus micro-onde

Désintégration

Cosmologie

Neutrinos

Dark matter

Astroparticle physics

Cmb

Decay

Cosmology

Neutrinos

Résumé

Avec l'avènement de grands relevés astronomiques provenant de télescopes terrestres et spatiaux, le domaine de la cosmologie a connu une révolution scientifique au cours des dernières décennies. On dit que nous sommes entrés dans l'ère de la cosmologie de précision : non seulement nous disposons de nombreuses mesures de l'univers ancien et tardif, mais nous pouvons également les utiliser pour tester des modèles théoriques avec une très grande précision. L'un de ces modèles, décrivant l'univers avec une métrique de Friedman-Lemaître plate et contenant environ 5 % baryons, 25 % Matière Noire Froide (acronyme anglais CDM) et 70 % d'énergie noire sous la forme d'une constante cosmologique (Lambda), s'est avérée fournir un ajustement remarquable à une grande variété d'observables. Malheureusement, la nature de ses principaux constituants - la matière noire et l'énergie noire - n'est pas encore identifiée. De plus, plusieurs divergences expérimentales sont apparues ces dernières années, qui pourraient révéler les propriétés de ces composants mystérieux. D'autre part, la découverte des oscillations des neutrinos a fourni des preuves convaincantes que les neutrinos possèdent des masses non nulles, un phénomène qui ne peut pas être expliqué dans le modèle standard de la physique des particules. Dans mon travail, j'ai mis de nouvelles contraintes robustes sur de nombreuses extensions différentes du paradigme LambdaCDM, visant à expliquer certaines des anomalies actuelles en cosmologie, ou à mieux caractériser les propriétés des neutrinos insaisissables. Je commence par confronter un modèle à 1 paramètre supplémentaire d'énergie noire précoce à une grande variété d'ensembles de données, montrant qu'il peut résoudre la tension H_0, et que l'ajout de données du lentillage gravitationnelle faible des galaxies n'affecte pas cette conclusion. De plus, j'ai fait une comparaison systématique de dix-sept modèles différents qui ont été proposés pour résoudre la tension H_0 (y compris l'énergie noire précoce), et quantifié le succès relatif de chaque modèle en utilisant une série de métriques et un large éventail de combinaisons des données. Deuxièmement, j'ai effectué une analyse cosmologique détaillée d'un scénario dans lequel la matière noire peut se désintégrer en un rayonnement sombre et une particule de matière noire "chaude", incluant pour la première fois un traitement complet des perturbations. Cette étude a montré que ce modèle, bien qu'incapable d'atténuer la tension de Hubble, peut pleinement expliquer la mesure de S_8 par des récentes enquêtes à lentillage gravitationnelle faible des galaxies. Je termine en discutant des nouvelles contraintes cosmologiques sur un scénario dans lequel les neutrinos massifs non-relativistes se désintégrent en rayonnement noir. Je montre que cela permet de réduire significativement les limites de masse des neutrinos, rendant compatible une possible détection en laboratoire avec les contraintes cosmologiques.

With the advent of large astronomical surveys coming from ground- and space- based telescopes, the field of cosmology has undergone a scientific revolution in the last decades. It is said that we have entered in the era of precision cosmology: not only do we have plenty of measurements from the early and late universe, but also we can use them to test theoretical models with astonishing accuracy. One of such models, describing the universe with a flat Friedman-Lemaître metric and containing around 5 % baryons, 25 % Cold Dark Matter (CDM) and 70 % dark energy in the form of a cosmological constant (Lambda), has shown to provide a remarkable fit to a wide variety of observables. Unfortunately, the nature of its main constituents -dark matter and dark energy - lacks identification. In addition, several experimental discrepancies have emerged in recent years, possibly shedding light on the properties of these mysterious components. On the other hand, the discovery of neutrino oscillations has provided convincing evidence that neutrinos possess non-zero masses, a phenomenon that cannot be explained within the Standard Model of Particle Physics. In my work, I have put new and robust constraints on many different extensions of the LambdaCDM paradigm, aiming at explaining some of the present anomalies in cosmology, or to better characterize the properties of the elusive neutrinos. I start confronting a 1-parameter model of Early Dark Energy against a wide variety of data sets, showing that it can resolve the H_0 tension, and that the addition of weak-lensing data doesn't affect this conclusion. In addition, I have made a systematic comparison of seventeen different models which have been proposed to resolve the H_0 tension (including Early Dark Energy), and quantified the relative success of each model using a series of metrics and a wide array of data combinations. Secondly, I have performed a detailed cosmological analysis of a scenario in which dark matter can decay into dark radiation and warm dark matter species, including for the first time a full treatment of perturbations. This study has shown that this model, while unable to ease the Hubble tension, can fully explain the low-S_8 measurement from recent weak lensing surveys. I end discussing updated cosmic constraints on a scenario in which neutrinos can decay into dark radiation while being non-relativistic. I show that this allows to significantly relax the bounds on the neutrino masses, making a potential detection in the laboratory compatible with cosmological constraints.