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Montandon, Thomas
Universite Paris Diderot, Ecole doctorale Sciences de la Terre et de l'Environnement et Physique de l'Univers, Laboratoire AstroParticule et Cosmologie - APC, UMR 7164, 10 rue Alice Domon et Leonie Duquet, case postale 7020, F-75205 Paris Cedex 13 (France); Laboratoire Irene Joliot-Curie (France)2021
Universite Paris Diderot, Ecole doctorale Sciences de la Terre et de l'Environnement et Physique de l'Univers, Laboratoire AstroParticule et Cosmologie - APC, UMR 7164, 10 rue Alice Domon et Leonie Duquet, case postale 7020, F-75205 Paris Cedex 13 (France); Laboratoire Irene Joliot-Curie (France)2021
AbstractAbstract
[en] inflation is the oldest period in the history of our universe corroborated by observations. The simplest model consists of a phase during which the universe was dominated by a single scalar field producing accelerated expansion. This dynamics explains the homogeneity, isotropy and flatness of our universe. Inflation also generates small adiabatic and quasi-Gaussian fluctuations. Adiabaticity means that no fluctuation in composition or relative velocity, called isocurvature modes, can be generated. A natural extension of the single-field model is to consider additional fields: this is the so-called multi-field inflation. In these models, it is possible to generate isocurvature modes, as well as measurable non- Gaussianities. A specific signature of the non-Gaussianities of multi-field inflation, called local PNG, is a large coupling in the squeezed limit, i.e. a coupling between the large and the small scales. The cosmic microwave background (CMB) is a radiation that was emitted 380,000 years after inflation. The observation of the temperature and polarization anisotropies of the CMB makes it possible to constrain the Gaussianity and the adiabaticity of the initial conditions. The Planck collaboration gave the strongest constraints, showing that the initial conditions are compatible with a purely adiabatic and Gaussian universe. In this thesis, we propose the rst joint analysis of the power spectrum and the bispectrum of the CMB for isocurvature modes in the framework of a generic two-field inflation model. In general, the lack of detection in the Planck data prevents the constraints from being improved for isocurvature modes. On the other hand, for subclasses of models, the constraints can be improved and we give the conditions under which this is possible. Then, we produce forecast constraints for the future CMB missions: LiteBIRD and CMBS4. We show that the improvement of the constraints can give rise to the detection of isocurvature modes and their non-Gaussianities. Under conditions that we specify, the joint analysis for these future missions can greatly improve the error bars on isocurvature modes. Another complementary observable is the large-scale structure (LSS). Future galaxy surveys should greatly improve the constraints on PNG. To get an accurate measurement in the squeezed limit, we need a high accuracy for very large scales as well as small, which makes this measurement extremely difficult. At large scales, relativistic effects (RE) become important and at small scales, non-linearities become very large and the perturbations theory breaks down. Second-order calculations show that RE are degenerated with local PNG and have the same time dependency. Because of this time dependency, RE cannot be neglected in the initial conditions of N-body simulations. In the last part of this thesis, we describe the code we have developed: RELIC. This code produces relativistic initial conditions up to the second order for N-body simulations. By neglecting the couplings between small scales, RELIC can generate the initial conditions for large simulations in a reasonable time. The theory of perturbations then allows us to calculate all the fields useful to initialize the N-body simulation code gevolution. The analysis of the initial conditions generated by RELIC and reconstructed by gevolution shows good agreement at large scales and in the squeezed limit. We have thus built a pipeline, taking into account RE and non-linearities up to second order, essential to quantify the local PNG contaminations that RE generates. (author)
[fr]
L'inflation est la plus ancienne periode de l'histoire de notre univers corroboree par les observations. Le modele le plus simple consiste en une phase durant laquelle l'univers a ete domine par un unique champ scalaire produisant une expansion acceleree. La dynamique de l'inflation permet d'expliquer l'homogeneite, l'isotropie et la platitude de notre univers. L'inflation permet aussi de generer des petites perturbations adiabatiques et quasi-gaussiennes. L'adiabaticite signie qu'aucune uctuation de composition ou de vitesse relative, appelee modes isocourbure, ne peut etre generee. Une extension naturelle du modele a un champ est de considerer plusieurs champs: l'inflation multi-champs. Dans ces modeles, il est possible de generer des modes isocourbure, ainsi que des nongaussianites mesurables. Une signature caracteristique des non-gaussianites de l'inflation multi-champs, appelees PNG locales, est un grand couplage entre les grandes et les petites echelles, appele limite squeezed. Le fond diffus cosmologique (CMB) est un rayonnement qui a ete emis 380 000 ans apres l'inflation. L'observation des anisotropies de temperature et de polarisation du CMB permettent de poser de fortes contraintes sur la gaussianite et l'adiabaticite des conditions initiales. La collaboration Planck a ainsi donne les plus fortes contraintes, montrant que les conditions initiales sont compatibles avec un univers purement adiabatique et gaussien. Dans cette these, nous proposons la premiere analyse jointe du spectre de puissance et du bispectre du CMB pour les modes isocourbure dans le cadre d'un modele generique d'inflation a deux champs. Dans le cadre general, l'absence de detection dans les donnees Planck empeche les contraintes d'etre ameliorees pour les modes isocourbure. En revanche, pour des sous-classes de modeles, les contraintes peuvent etre ameliorees et nous donnons les conditions dans lesquelles c'est possible. Ensuite, nous produisons des contraintes previsionnelles pour les futures missions CMB LiteBIRD et CMB-S4. Nous montrons que l'amelioration des contraintes pourra donner lieu a une detection de modes isocourbure et de leurs non-gaussianites. Dans des conditions que nous specifions, l'analyse jointe pour ces futures missions pourra ameliorer grandement les barres d'erreur sur les modes isocourbure. Une autre observable complementaire est la structure a grandes echelles (large-scale structure LSS). Les futures releves de galaxies devraient grandement ameliorer les contraintes sur les PNG. Pour obtenir une mesure de precision dans la limite squeezed, nous avons besoin d'une grande precision pour les tres grandes echelles tout comme les petites, ce qui rend cette mesure extremement dicile. Aux grandes echelles, les effets relativistes (RE) deviennent importants et aux petites echelles, les non-linearites deviennent tres grandes. Les calculs au deuxieme ordre montrent que les RE sont degeneres avec les PNG locales et qu'ils possedent la meme dependance temporelle. A cause de cette dependance temporelle, les RE ne peuvent pas etre negliges dans les conditions initiales des simulations a N-corps. Dans la derniere partie de cette these, nous decrivons le code que nous avons developpe: RELIC. Ce code permet de generer des conditions initiales relativistes jusqu'au deuxieme ordre pour les simulations a N-corps. En negligeant les couplages entre les petites echelles, RELIC peut generer les conditions initiales pour de grandes simulations en un temps raisonnable. La theorie des perturbations nous permet ensuite de calculer tous les champs utiles pour initialiser la simulation a N-corps gevolution. L'analyse des conditions initiales generees par RELIC et reconstruites par gevolution montrent un bon accord a grandes echelles et dans la limite squeezed. Nous avons ainsi construit une pipeline, prenant en compte les RE et les non-linearites, essentielle pour quantifier les contaminations des PNG locales qu'ils generent. (auteur)Original Title
Non-gaussianite primordial dans le fond diffus cosmologique et dans la structure a grande echelle
Primary Subject
Source
8 Nov 2021; 220 p; 297 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; These de doctorat de Physique de l'Univers
Record Type
Miscellaneous
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
ADIABATIC PROCESSES, ANISOTROPY, COMPUTERIZED SIMULATION, COSMOLOGICAL CONSTANT, EINSTEIN EFFECT, FOURIER TRANSFORMATION, GAUGE INVARIANCE, GAUSSIAN PROCESSES, INFLATIONARY UNIVERSE, INFLATONS, MANY-BODY PROBLEM, MARKOV PROCESS, MAXIMUM-LIKELIHOOD FIT, MONTE CARLO METHOD, PERTURBATION THEORY, RELATIVITY THEORY, RELICT RADIATION, SCALAR FIELDS, STANDARD MODEL
CALCULATION METHODS, COSMOLOGICAL MODELS, ELECTROMAGNETIC RADIATION, ELEMENTARY PARTICLES, FIELD THEORIES, GRAND UNIFIED THEORY, INTEGRAL TRANSFORMATIONS, INVARIANCE PRINCIPLES, MATHEMATICAL MODELS, MATHEMATICAL SOLUTIONS, MICROWAVE RADIATION, NUMERICAL SOLUTION, PARTICLE MODELS, POSTULATED PARTICLES, QUANTUM FIELD THEORY, RADIATIONS, SIMULATION, STOCHASTIC PROCESSES, TRANSFORMATIONS, UNIFIED GAUGE MODELS
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