Searching for new physics with CMB precision cosmology
Description
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-Lemaitre metric and containing around 5 % baryons, 25 % Cold Dark Matter (CDM) and 70 % dark energy in the form of a cosmological constant (Λ), 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 ΛCDM 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 H0 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 H0 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-S8 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. (author)
Abstract (French)
Avec l'avenement de grands releves astronomiques provenant de telescopes terrestres et spatiaux, le domaine de la cosmologie a connu une revolution scientifique au cours des dernieres decennies. On dit que nous sommes entres dans l'ere de la cosmologie de precision: non seulement nous disposons de nombreuses mesures de l'univers ancien et tardif, mais nous pouvons egalement les utiliser pour tester des modeles theoriques avec une tres grande precision. L'un de ces modeles, decrivant l'univers avec une metrique de Friedman-Lemaitre plate et contenant environ 5 % baryons, 25 % Matiere Noire Froide (acronyme anglais CDM) et 70 % d'energie noire sous la forme d'une constante cosmologique (Λ), s'est averee fournir un ajustement remarquable a une grande variete d'observables. Malheureusement, la nature de ses principaux constituants - la matiere noire et l'energie noire - n'est pas encore identifiee. De plus, plusieurs divergences experimentales sont apparues ces dernieres annees, qui pourraient reveler les proprietes de ces composants mysterieux. D'autre part, la decouverte des oscillations des neutrinos a fourni des preuves convaincantes que les neutrinos possedent des masses non nulles, un phenomene qui ne peut pas etre explique dans le modele standard de la physique des particules. Dans mon travail, j'ai mis de nouvelles contraintes robustes sur de nombreuses extensions differentes du paradigme ΛCDM, visant a expliquer certaines des anomalies actuelles en cosmologie, ou a mieux caracteriser les proprietes des neutrinos insaisissables. Je commence par confronter un modele a 1 parametre supplementaire d'energie noire precoce a une grande variete d'ensembles de donnees, montrant qu'il peut resoudre la tension H0, et que l'ajout de donnees du lentillage gravitationnelle faible des galaxies n'affecte pas cette conclusion. De plus, j'ai fait une comparaison systematique de dix-sept modeles differents qui ont ete proposes pour resoudre la tension H0 (y compris l'energie noire precoce), et quantifie le succes relatif de chaque modele en utilisant une serie de metriques et un large eventail de combinaisons des donnees. Deuxiemement, j'ai effectue une analyse cosmologique detaillee d'un scenario dans lequel la matiere noire peut se desintegrer en un rayonnement sombre et une particule de matiere noire 'chaude', incluant pour la premiere fois un traitement complet des perturbations. Cette etude a montre que ce modele, bien qu'incapable d'attenuer la tension de Hubble, peut pleinement expliquer la mesure de S8 par des recentes enquetes a lentillage gravitationnelle faible des galaxies. Je termine en discutant des nouvelles contraintes cosmologiques sur un scenario dans lequel les neutrinos massifs non-relativistes se desintegrent en rayonnement noir. Je montre que cela permet de reduire significativement les limites de masse des neutrinos, rendant compatible une possible detection en laboratoire avec les contraintes cosmologiques. (auteur)
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Additional details
Additional titles
- Original title (English)
- A la recherche d'une nouvelle physique avec la cosmologie de precision du CMB
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 300 p.
- Report number
- FRNC-TH--14995
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 54115698
- Subject category
- S79: ASTROPHYSICS, COSMOLOGY AND ASTRONOMY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ALGORITHMS; ANISOTROPY; BOLTZMANN EQUATION; COSMIC NEUTRINOS; EINSTEIN FIELD EQUATIONS; GALAXIES; GAUGE INVARIANCE; GRAVITATIONAL LENSES; HUBBLE EFFECT; INFLATIONARY UNIVERSE; MANY-BODY PROBLEM; MARKOV PROCESS; MONTE CARLO METHOD; NEUTRINO OSCILLATION; NONLUMINOUS MATTER; PARTICLE DECAY; PERTURBATION THEORY; RELICT RADIATION
- Descriptors DEC
- CALCULATION METHODS; COSMIC RADIATION; COSMOLOGICAL MODELS; DECAY; DIFFERENTIAL EQUATIONS; ELECTROMAGNETIC RADIATION; ELEMENTARY PARTICLES; EQUATIONS; FERMIONS; FIELD EQUATIONS; INTEGRO-DIFFERENTIAL EQUATIONS; INVARIANCE PRINCIPLES; IONIZING RADIATIONS; KINETIC EQUATIONS; LENSES; LEPTONS; MASSLESS PARTICLES; MATHEMATICAL LOGIC; MATHEMATICAL MODELS; MATTER; MICROWAVE RADIATION; NEUTRINOS; PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS; RADIATIONS; STOCHASTIC PROCESSES
Optional Information
- Notes
- 450 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses