Second-order cosmological perturbations in two-field inflation and predictions for non-Gaussianity

par Eleftheria Tzavara

Thèse de doctorat en Physique théorique

Sous la direction de Renaud Parentani.

Soutenue le 30-09-2013

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Physique de la Région Parisienne (....-2013) , en partenariat avec Laboratoire de physique théorique (Orsay, Essonne) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Perturbations cosmologiques de deuxième ordre dans le contexte des modèles d'inflation à deux champs et leurs conséquences pour la non-gaussiannité


  • Résumé

    Les prédictions d'inflation du spectre de puissance de la perturbation de la courbure ont déjà fait l’objet de vérification d’un excellent niveau, permettant à de nombreux modèles de rester compatibles avec les observations. Dans la présente thèse, nous avons étudié les corrélations de troisième ordre qui pourraient permettre de mieux distinguer les différents modèles d'inflation les uns des autres. Parmi toutes les extensions possibles du modèle standard d'inflation, nous avons choisi d'étudier des modèles de deux champs scalaires à termes cinétiques standards et à métrique des champs plat. La nouveauté introduite par ces modèles est la présence de la perturbation d'isocourbure. Son interaction avec la perturbation adiabatique hors de l'horizon produit des non-linéarités caractéristiques des modèles à plusieurs champs scalaires. Dans, ce contexte, nous avons établi la forme de la perturbation adiabatique et de la perturbation d'isocourbure invariant sous transformations de jauge en deuxième ordre. De plus, nous avons trouvé l'action de troisième ordre qui décrit leurs interactions. En outre, nous avons élaboré le formalisme des grandes longueurs d'onde afin d'obtenir une expression pour le paramètre de non-gaussiannité fNL en fonction du potentiel des champs. Nous avons ensuite, utilisé cette formule pour traiter analytiquement - avec l'hypothèse de slow-roll - des classes générales de potentiels et vérifier nos résultats numériquement par la théorie exacte. De là, nous avons pu tirer des conclusions générales concernant les propriétés de fNL, comme par exemple la dépendance de sa magnitude des caractéristiques du trajet des champs et de la perturbation d'isocourbure, ainsi que sa dépendance de la magnitude et de la taille relative des trois impulsions dont le corrélateur à trois points est fonction.


  • Résumé

    Inflationary predictions for the power spectrum of the curvature perturbation have been verified to an excellent degree, leaving many models compatible with observations. In this thesis we studied third-order correlations, that might allow one to further distinguish between inflationary models. From all the possible extensions of the standard inflationary model, we chose to study two-field models with canonical kinetic terms and flat field space. The new feature is the presence of the so-called isocurvature perturbation. Its interplay with the adiabatic perturbation outside the horizon gives birth to non-linearities characteristic of multiple-field models. In this context, we established the second-order gauge-invariant form of the adiabatic and isocurvature perturbation and found the third-order action that describes their interactions. Furthermore, we built on and elaborated the long-wavelength formalism in order to acquire an expression for the parameter of non-Gaussianity fNL as a function of the potential of the fields. We next used this formula to study analytically, within the slow-roll hypothesis, general classes of potentials and verified our results numerically for the exact theory. From this study, we deduced general conclusions about the properties of fNL, its magnitude depending on the characteristics of the field trajectory and the isocurvature component, as well as its dependence on the magnitude and relative size of the three momenta of which the three-point correlator is a function.


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