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Thèse Année : 2017

Gravitational and electromagnetic signatures of massive relics in Cosmology

Signatures gravitationnelles et électromagnétiques de particules massives en Cosmologie

Résumé

Beside their great successes, Cosmology and Particle Physics are facing deep issues that have been puzzling physicists for a long time. In particular, 85% of the matter content in our Universe is in the form a cold, non-interacting component, whose only impacts have been probed through gravity. On the other hand, the discovery of neutrino oscillations point towards the existence of tiny but non-vanishing neutrino masses, a phenomenon that cannot be successfully explained within the Standard Model of Particle Physics. This work tries to tackle the Dark Matter and neutrino masses canondrums, by looking for electromagnetic and gravitational signatures of peculiar massive relics onto Cosmological probesthat have been developed over the years. In particular, we study the impact on i) CMB temperature and polarization anisotropies; ii) Large Scale Structure surveys; iii) Spectral distortions of the CMB blackbody spectrum; iv) and Big Bang Nucleosynthesis.After a thorough review of all necessary tools to compute those observables, we make use of the latest data from present experiments, and forecast the potential for detection of future ones. We firstly focus on the purely gravitational effects of a decaying massive relics, deriving the strongest constraints to date from the pure gravitational effects of the decay and extending the phenomenology to multicomponent models with very high decay rate. Those constraints represent robust, vastly model independent bounds that any massive relic has to satisfy.In a second step, we switch on electromagnetic channels and compare the relative constraining power of non-thermal Big Bang nucleosynthesis, CMB spectral distortions and statistics of CMB anisotropies. As an example, we apply our results to specific models taken from the literature, and show that a loophole to the standard theory of e.m. cascade allow to solve the cosmological Lithium problem thanks to photon injection. We then study the impact of annihilating relics, with a special emphasis on annihilations in halos and its synergy with stars in reionizing our Universe.The last part of this work is devoted to the cosmological determination of neutrino properties with current and future data. We assess that: i) it is possible to make a robust statement about the detection of the cosmic neutrino background by CMB experiments; ii) the joint analysis of future CMB and Large Scale Structure data should allow the first Cosmological detection of neutrino masses. Our results emphasize the complementarity of the different probes, and the need for combined analyses when looking for new physics, especially in the era of precision Cosmology.
Malgré leurs succès impressionnants, la Cosmologie et la Physique des Particules font face à de profonds problèmes qui ont fait se questionner des générations de Physiciens. L’un de ces fameux mystères consiste en la présence de 85% de matière froide, n’interagissant que sous l’effet de la gravitation, appelée matière noire dans le contenu total en matière de notre Univers. Un autre de ces mystères est apparue après la découverte du phénomène d’oscillation des neutrinos. Celui-ci indique que les neutrinos ont une masse, certes faible mais non nulle, ce qui ne s’explique pas de manière satisfaisante dans le cadre du modèle standard de la physique des particules. Ce travail s’attaque à ces énigmes de longues dates en recherchant les signatures électromagnétiques et gravitationnelles de particules massives prédites par certains modèles dans les sondes cosmologiques à disposition, i.e. i) les anisotropies du fond diffus cosmologique; ii) les distorsions spectrales du fond diffus cosmologique; iii) les relevés des grandes structures; iv) la nucléosynthèse primordiale. Après avoir introduit tous les outils nécessaires pour calculer ces observables, nous utilisons les dernières données disponibles et estimons le potentiel des futures expériences à détecter ces nouvelles particules. Nous nous concentrons tout d’abord sur l’impact purement gravitationnel de particules massives instables, afin de calculer les contraintes à ce jour les plus fortes sur la durée de vie et l’abondance de telles particules. Une des avancées majeures de ce travail consiste en l’étude de modèles à plusieurs composantes de matière noire, révélant une phénoménologie très riche. Ces résultats, robustes et indépendants du modèle considéré, représentent les contraintes minimums que toute particule composant la matière noire doit satisfaire. Dans un second temps, nous nous intéressons aux désintégrations électromagnétiques de ces particules et comparons la sensibilité des différentes sondes cosmologiques. En guise d’exemple, nous appliquons nos résultats à des modèles spécifiques choisis dans la littérature moderne. Nous montrons notamment qu’une lacune de la théorie des cascades électromagnétiques permet de résoudre le problème du Lithium cosmologique grâce à la désintégration d’un neutrino stérile après la nucléosynthèse primordiale. Nous étudions ensuite l’impact de l’annihilation de particules de matière noire sur le fond diffus cosmologique, en nous concentrant en particulier sur l’annihilation de ces particules dans les halos de matière noire, et étudions leur rôle complémentaire aux étoiles pour ré-ioniser notre Univers. La partie finale de ce travail est dévouée à la détermination des propriétés des neutrinos à travers les sondes cosmologiques actuelles et futures. Nous démontrons notamment: i) qu’il est possible de tirer des conclusions robustes quant à la détection cosmologique de ces neutrinos par les expériences mesurant le fond diffus cosmologique; ii) que l’analyse conjointe des données des futures expériences sur le fond diffus cosmologique et de celles sur les structures aux grandes échelles devraient permettre la première détection cosmologique de la masse des neutrinos. Nos résultats soulignent la complémentarité des différentes sondes, ainsi que la nécessité de réaliser des analyses combinées de ces sondes, lors de la recherche de nouvelle physique, tout particulièrement à l’époque de la cosmologie de précision.
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Dates et versions

tel-01693125 , version 1 (25-01-2018)
tel-01693125 , version 2 (05-12-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01693125 , version 2

Citer

Vivian Poulin. Gravitational and electromagnetic signatures of massive relics in Cosmology. Cosmology and Extra-Galactic Astrophysics [astro-ph.CO]. Université Grenoble Alpes; Rheinisch-westfälische technische Hochschule (Aix-la-Chapelle, Allemagne), 2017. English. ⟨NNT : 2017GREAY112⟩. ⟨tel-01693125v2⟩
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