Physique au delà du modèle standard avec les mesures précises de la polarisation du fond diffus cosmologique

par Adrien La posta

Projet de thèse en Astroparticules et cosmologie

Sous la direction de Matthieu Tristram et de Thibaut Louis.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat , en partenariat avec Laboratoire de Physique des deux Infinis Irène Joliot-Curie (laboratoire) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 30-09-2020 .


  • Résumé

    Les mesures les plus récentes des distances de Céphéides et de Supernovae ainsi que le décalage temporel d'images de quasars lentillés remettent en cause le modèle standard de la cosmologie. La valeur de la constante de Hubble, qui quantifie le taux d'expansion de l'Univers, obtenue à partir de ces observables locales est en désaccord avec celle inférée à partir des mesures du fond diffus cosmologique. Si cette différence, de l'ordre 5 sigma, n'est pas due à une systématique expérimentale, elle pourrait être le signe d'une nouvelle physique au delà du modèle standard de la cosmologie. De nombreuses études sont en cours sur les possibles systématiques qui pourraient affecter la mesure locale, en particulier la calibration de la distance des supernovae, et de nouveaux modèles de physique non standard sont développés. Une façon particulièrement intéressante de résoudre le problème est d'introduire un nouveau composant physique lors de l'époque de la recombinaison, juste avant l'émission des photons du CMB. Le rôle de ce nouveau composant est de changer la taille physique de l'horizon sonore des ondes acoustiques dans le plasma, qui est essentielle pour la détermination de H0.
 Une prédiction générique de l'introduction d'un tel composant est un changement des propriétés statistiques du fond diffus cosmologique, en particulier un changement du spectre en puissance des modes E de polarisation. Les spectres en puissance des anisotropies de température et de polarisation sont les observables les plus contraignants sur la physique de l'univers primordial. Le spectre en puissance des anisotropies de température a été mesuré très précisément par le satellite Planck, mais une mesure précise du spectre en puissance des modes E sur les petites échelles angulaires est aujourd'hui manquante. Notre proposition de doctorat prend place dans ce contexte, le/la doctorant-e aura accès aux données du télescope AdvACT, les meilleures données actuelles pour la mesure des modes E du CMB. Le télescope AdvACT est un télescope de 6m, situé dans le désert d'Atacama au Chili. Ses observations (2016-2022) couvrent 20000 degré carrés du ciel avec 6000 détecteurs. La thèse se focalisera sur l'extraction de l'information cosmologique de ces données dans l'optique de tester les modèles physiques présentant une solution au problème de la constante de Hubble. L'étudiant-e sera aussi impliqué-e dans la préparation de l'expérience Simons Observatory (2021-2027), successeur de l'expérience AdvACT. Nous sommes à la recherche d'un-e candidat-e avec des bases solides de physique théorique. Le/La candidat-e doit être intéressé-e par la physique statistique des champs, la relativité générale et la cosmologie. Une part importante du projet sera liée au développement d'algorithmes pour extraire les propriétés statistiques des données ce qui nécessite des aptitudes en programmation. L'interaction avec les différents collaborateurs se fera en anglais, et nous cherchons un-e candidat-e avec de bonnes capacités de communication. L'encadrant principal de la thèse sera Thibaut Louis, il a mené l'analyse de données du telescope ACTPol, précurseur de l'expérience AdvACT et est en charge de la préparation de l'analyse de données de l'expérience Simons Observatory. L'équipe du LAL comprend trois autres permanents: Matthieu Tristram, Sophie Henrot Versillé, et Xavier Garrido. Cette équipe a eu des rôles clés dans l'expérience Planck et a une grande expérience dans l'analyse et l'interprétation des données du fond diffus cosmologique. Elle est également impliquée dans la préparation de la prochaine mission spatiale CMB LiteBIRD. Les collaborations extérieures sont essentielles pour la réussite du projet. Le/la doctorant-e bénéficiera de collaborations déjà établies avec les experts du fond diffus cosmologique notamment dans les universités de Princeton, Berkeley, Oxford et Cardiff. Il/elle aura la possibilité de visiter ces universités. Les candidat-e-s intéressé-e-s doivent contacter Thibaut Louis (louis@lal.in2p3.fr), un stage de master sera également proposé.

  • Titre traduit

    Beyond the standard model of cosmology with precise measurements of CMB polarisation


  • Résumé

    Recent results from the cosmic distance ladder and time delays of gravitationally lensed quasars challenge the LCDM concordance model. The H0 value inferred from the combination of these two low-redshift probes is 5 sigma discrepant with the one inferred from the measurement of the cosmic microwave background by the Planck satellite. This discrepancy could reveal new physics beyond the standard model or be due to unmodeled systematics. A discussion is on-going on the possible systematic effects that could affect the low-redshift observations, in particular the calibration of the cosmic distance ladder. Models of new physics beyond CDM that would reconcile the two measurements have also been developed . A particularly interesting class of models proposes to change the acoustic scale by changing physics near the time of recombination. A general feature of such solutions is a residual to fits to LCDM that could in principle be detectable by the next generation of CMB experiments. The magnitude of these residuals is however extremely small and measuring them will require very accurate observations. The most constraining summary statistics of CMB fluctuations are the power spectra of temperature and E modes anisotropies. The temperature power spectrum has been very precisely measured by the Planck satellite, but a definitive measurement of the E modes power spectrum is still lacking. Our proposition of PHD takes place in this context, the successful applicant will have access to the best to date measurement of CMB E modes from the AdvACT telescope. The AdvACT telescope is a 6m telescope in the Atacama desert in Chile observing 20000 sq degree of the sky with 6000 detectors. The PHD thesis will focus on extracting the cosmological information from these data, and testing models proposing solutions to the Hubble constant crisis. The student will also be involved in the preparation for the Simons Observatory experiment, a 100M$ project aiming at a definitive measurement of the CMB polarisation in the Southern Hemisphere (first light 2021). Candidate profile. We are looking for a candidate with strong theoretical physics skills. The candidate should be interested in statistical field theory, general relativity and cosmology. The project will involve writing code to extract the statistical properties of the data so we are looking for a candidate willing to master a computer programming language. Interaction with the collaboration will be in english and strong communication skills are also required. Supervisor. Thibaut Louis led the paper presenting the cosmological results of the ACTPol telescope, precursor of the AdvACT telescope. He is pipeline lead for the forecoming Large Aperture telescope of the Simons Observatory collaboration and an active member of the AdvACT collaboration. Team. The project is based at the Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire (LAL) with team members X. Garrido, S. Henrot Versille and M. Tristram. M. Tristram and S. Henrot Versille were members of the Planck core team, they have a large expertise on the data analysis of this experiment. In addition to our team, external collaborations are an essential strength of the project. The PHD candidate will benefit from established collaborations with CMB experts at Princeton, Berkeley, Oxford and Cardiff universities. The succesful applicant will have travel opportunities to these universities. Interested candidates should contact Thibaut Louis (louis@lal.in2p3.fr), we will also propose a master internship related to the project.