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Fiche détaillée Thèses
Université Paris Sud - Paris XI (19/09/2005), Peter, Patrick. (Dir.)
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Contraintes cosmologiques sur la physique de l'univers primordial
Jonathan Rocher1

Cette thèse présente plusieurs aspects de l'interaction entre la physique des hautes énergies et la cosmologie. Elle étudie en détail les prédictions d'une classe de théories de physique des particules au-delà du Modèle Standard concernant la formation des défauts topologiques (cordes cosmiques en particulier). Ce cadre de travail permet aussi de définir des modèles d'inflation bien motivés qui sont eux aussi étudiés. Dans le cadre des théories de Grande Unification supersymétrique, on construit une classe de modèles en accord avec la phénoménologie de la physique des particules et les observations de la cosmologie. Ces modèles doivent en particulier être en accord avec les mesures sur la durée de vie du proton, doivent expliquer les oscillations des neutrinos, et l'asymétrie matière/antimatière. Une phase d'inflation hybride doit, par ailleurs, permettre de résoudre les problèmes de la cosmologie. Dans ce cadre motivé, la généricité de la formation des cordes cosmiques est démontrée. Ces cordes sont stables et génériquement formées à la fin de la dernière phase d'inflation. Cela montre qu'elles sont très massives et ont un rôle potentiellement important dans la génération des fluctuations de température du fond diffus cosmologique. Comme les observations cosmologiques indiquent une rôle faible voire négligeable, cela contraint fortement les modèles théoriques.

Une étude de la contribution relative de ces cordes cosmiques aux anisotropies de température pour les deux modèles standards d'inflation hybride supersymétrique permet de montrer qu'ils sont tous deux en accord avec les observations, contrairement à ce que l'on pensait. Les contraintes fortes sur la contribution admissible des cordes aux CMB se traduisent alors en contraintes fortes sur tous les paramètres des modèles inflationnaires : constantes de couplage et échelle d'énergie de l'inflation. A la lumière de ces nouvelles contraintes, il devient possible de s'exprimer quant à l'aspect naturel de ces théories. On montre ainsi qu'ils souffrent de la nécessité d'ajuster finement leurs constantes de couplage : ceci est définitivement reconnu comme non naturel.

La contrainte sur la phase inflationnaire est aussi étudiée du point de vue de l'extraction de ses paramètres à partir des données d'expériences futures d'observation de la polarisation du CMB. Des outils statistiques permettant de mesurer les paramètres cosmologiques et d'estimer l'erreur sur ces estimations sont numériquement implémentés. L'effet de lentille gravitationnelle sur ces outils est ensuite étudié analytiquement et numériquement. Cela permet de valider l'approximation usuelle qui consiste à négliger l'effet de lentille sur la non gaussianité des données du CMB, à travers leur fonction de corrélation à quatre points.
1 :  IAP - Institut d'Astrophysique de Paris
Défauts topologiques – Théories de Grande Unification supersymétriques – Inflation hybride – Contraintes cosmologiques sur les paramètres inflationnaires – Fond diffus cosmologique et effet de lentille gravitationnelle.
http://www.iap.fr/users/rocher/thesetot_Fr.php

Cosmological constraints on the physics of the early universe
This PhD thesis presents several aspects of the interplay between high energy physics and cosmology. We study in details the predictions of a class of theories of particle physics beyond the Standard Model concerning the formation of topological defects (and more especially cosmic strings). Within supersymmetric Grand Unified Theories (GUT), we define a class of models that take into account phenomenological constraints from particle physics and cosmology. These models have to be in agreement with proton decay measurements, and have to explain the neutrinos oscillation and the matter/antimatter asymmetry. A phase of hybrid inflation is well motivated in this framework and is also necessary to solve several major problems of the standard model of cosmology. In this framework, the genericity of cosmic string formation is shown. These strings are stable and generically form during the symmetry breaking that ends the (last) hybrid inflationary phase. Therefore, their mass is of the GUT scale, and they can have an important cosmological role. As experimental data show a weak or even negligible role, we can constrain strongly theoretical models.

We have analysed the prediction of string contribution to the Cosmic Microwave Background (CMB) for the two standard models of supersymmetric hybrid inflation. We have shown that they are both in agreement with CMB data, contrary to what was previously thought. The strong limit on the allowed cosmic strings contribution can be translated into constraints on all parameters of the inflationary models : couplings constants, energy scales of inflation. These constraints show that both models suffer from the fine tuning of their superpotential coupling constant, and this tends to reduce the naturalness and the attractivity of these models.

Constraining inflationary physics can also be done through the extraction of parameters from futur CMB experiments measuring polarisation. Several statistical tools exist to estimate cosmological parameters and the errors on these estimations. We have implemented one of these tools in a numerical code and studied analytically and numerically the effect of weak lensing on such analysis. It allows us to validate the usual approximation consisting on neglecting the weak lensing effect on the non-gaussianity (or the four point correlation function) of the CMB signal.
Topological defects – Supersymmetric Grand Unified Theories – Hybrid inflation – Cosmological constraints on inflationary parameters – Cosmic microwave background and weak lensing effect.

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