Inflation : étude phénoménologique et préparation de la mission spatiale LiteBIRD

Inflation : phenomenological study and LiteBIRD space mission preparation

• Auteur / Autrice : Gilles Weymann-Despres
• Direction : Sophie Henrot-Versillé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des Astroparticules et Cosmologie
• Date : Soutenance le 13/09/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Achille Stocchi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anthony J. Banday, Juan-Francisco Macias-Pérez, Joanna Dunkley, Tomotake Matsumura, Nathalie Palanque-Delabrouille, Vivian Poulin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anthony J. Banday, Juan-Francisco Macias-Pérez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique des hautes énergies

Supersymétrie

Univers inflatoire

Fond diffus cosmologique

Cosmologie

Expansion de l'univers

Modèle Lambda Cold Dark Matter

Mots clés libres

Cosmologie

Inflation

LiteBIRD

Phénoménologie

Fond diffus cosmologique

Supersymétrie

Cosmology

Inflation

LiteBIRD

Phenomenology

Cosmic microwave background

Supersymmetry

Résumé

Cette thèse est consacrée à l'étude de l'inflation cosmologique, une phase d'expansion accélérée de l'univers primordial qui reste, à ce jour, spéculative. L'observable central de ce travail est le fond diffus cosmologique (CMB), la plus ancienne lumière encore visible aujourd'hui, dont l'étude statistique permet d'inférer des informations cruciales sur la cosmologie. Nous entamons cette étude sur un volet expérimental, avec la préparation du satellite LiteBIRD. Au milieu de la prochaine décennie, ce dernier mesurera la polarisation du CMB à grande échelle avec une précision inédite, permettant ainsi de contraindre la présence d'ondes gravitationnelles primordiales générées durant l'inflation. Pour obtenir une telle sensibilité et éviter tout potentiel effet systématique, une maîtrise parfaite de l'instrument et de l'analyse de donnée est indispensable. Dans ce cadre, nous présentons notre première implémentation du modèle de l'instrument dans une base de données dédiée, ainsi que les outils nécessaires à la production de certains paramètres instrumentaux. Nous avons notamment produit les quaternions qui encodent les informations de pointage et d'orientation de chaque détecteur, et implémenté les faisceaux, les bandes passantes, le modèle de bruit de l'instrument et la spécification du système de lecture.De plus, nous avons mis en place un pipeline complet pour analyser les cartes de polarisation que LiteBIRD fournira. Nous avons testé ce pipeline sur des simulations de l'instrument présentant diverses complexités. L'analyse se décompose en trois étapes. La première étape est la séparation des composantes afin de nettoyer les cartes des avant-plans. Nous avons optimisé une méthode agnostique qui ne nécessite pas de connaissances préalables sur les propriétés des avant-plans. La deuxième étape consiste à estimer les spectres à partir des cartes nettoyées et masquées, pour laquelle nous avons implémenté et testé diverses méthodes non biaisées et quasi optimales. Enfin, nous avons évalué la performance de plusieurs fonctions de vraisemblance pour inférer les paramètres cosmologiques. En plus de contraindre la présence d'ondes gravitationnelles primordiales, cette analyse permettra d'affiner notre compréhension de l'époque de la réionisation, liée au puissant rayonnement émis par la première génération d'étoiles.La troisième partie de cette thèse se concentre sur une étude phénoménologique de l'inflation, en particulier sur un modèle d'inflation qui s'inscrit dans un cadre de physique des particules : le modèle supersymétrique minimal. En collaboration avec des cosmologistes, théoriciens et physiciens des particules, nous avons montré que les données existantes du satellite Planck sont suffisamment précises pour que les erreurs systématiques dans les prédictions du modèle dominent le budget d'erreur dans un exercice d'inférence. Ces erreurs systématiques théoriques sont dues à la non-inclusion des corrections radiatives et à une compréhension imparfaite de la fin de l'inflation. Nous avons donc incorporé les corrections nécessaires et identifié des points dans l'espace des paramètres qui satisfont à la fois les contraintes observationnelles de la physique des particules (comme la masse du Higgs et les recherches directes de SUSY au LHC) et de la cosmologie (comme la fraction de matière noire dans l'univers et les propriétés des perturbations observées par Planck). Ce travail démontre la possibilité d'unifier la description de la physique des particules et de la cosmologie dans un seul modèle cohérent, ouvrant ainsi la voie à une exploration complète de ce cadre.

This thesis is devoted to the study of cosmological inflation, a phase of accelerated expansion in the early universe that remains speculative to this day. The central observable for this study is the cosmic microwave background (CMB), the oldest light still visible today, whose statistical study enables cosmological inference.We first approach the study from an experimental perspective, focusing on the preparation of the LiteBIRD satellite. Set to launch in the middle of the next decade, LiteBIRD will measure the large-scale polarisation of the CMB with unprecedented precision, allowing for stringent constraints on the presence of primordial gravitational waves generated during inflation. To achieve the required sensitivity and minimise systematic effects, we must ensure precise control of both the instrument and data analysis. As part of this effort, we have implemented the instrument model in a dedicated database, along with the tools necessary to produce key instrumental parameters. This includes generating quaternions that encode each detector's pointing and orientation information, as well as implementing beam models, bandpasses, the noise model, and the specification of the readout system. Furthermore, we have developed a complete pipeline for analysing the polarisation maps that LiteBIRD will deliver. We have tested this pipeline on realistic simulations of the instrument with various levels of complexity. The analysis pipeline consists of three stages. The first stage involves component separation to remove foreground contamination from the maps. We optimise an agnostic method that does not rely on prior knowledge of the foreground properties. The second stage focuses on estimating power spectra from the cleaned and masked maps. To this end, we have implemented and tested various unbiased and quasi-optimal methods. Finally, we assess the performance of different likelihood functions to infer cosmological parameters. In addition to constraining primordial gravitational waves, this analysis will enhance our understanding of the epoch of reionisation, which is due to the intense radiation from the first generation of stars.In the third section of the thesis, we focus on a phenomenological study of inflation, particularly on a model of inflation situated within a particle physics framework: the minimal supersymmetric model. In collaboration with cosmologists, theorists, and particle physicists, we demonstrate that the existing data from the Planck satellite are already precise enough that systematic errors in the model's predictions dominate the error budget in an inference context. These theoretical systematics arise from the non-inclusion of radiative corrections and an incomplete understanding of the end of inflation. We have included the necessary corrections and identified points in parameter space that satisfy both the observational constraints of particle physics (such as the Higgs mass and direct SUSY searches at the LHC) and cosmology (including the dark matter fraction in the universe and the properties of scalar perturbations as observed by Planck). Our work demonstrates the feasibility of unifying particle physics and cosmology descriptions within a single self-consistent model, paving the way for a comprehensive exploration of the inflationary MSSM or other high-energy physics models.