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Thèse Année : 2017

Gravitational and electromagnetic signatures of massive relics in Cosmology

Signatures gravitationelles et électromagnétiques de particules massives en Cosmologie

Résumé

Despite 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 of a cold, non-interacting component, whose impacts have only been probed through gravity. On the other hand, the discovery of neutrino oscillations points 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 tackles the dark matter and neutrino masses conundrums by looking for electromagnetic and gravitational signatures of peculiar massive relics in cosmological probes. In particular, we study the impacts 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 (BBN). We firstly focus on the purely gravitational effects of decaying massive relics, deriving the strongest constraints to date and extending the phenomenology to multicomponent models with very high decay rate. In a second step, we switch to electromagnetic channels and compare the relative constraining power of non-thermal BBN, CMB spectral distortions and statistics of CMB anisotropies. Moreover, we show that it is possible 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 their interplay with stars in reionizing our Universe. In the last part of the work, devoted to studying neutrino properties we demonstrate 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 5 σ cosmological detection of neutrino masses. Our results emphasize the need for combined analyses when looking for new physics, especially in the era of precision cosmology.
Malgré leur succès impressionants, la Cosmologie et la Physique des Particules font face à de profonds problèmes qui ont fait se questionner des générations de physicien. En particulier, 85% de la matière dans notre Univers est sous la forme d’une mystérieuse composante froide, détectée uniquement par gravitation appelée matière noire. De plus, la découverte d’oscillations entre les familles de neutrinos indiquent qu’ils possèdent une masse faible mais non nulle, un phénomène qui ne s’explique pas de matière satisfaisante dans le cadre du modèle standard. Cette thèse s’attaque à ces problèmes en recherchant l’impact électromagnétique et gravitationelle de particules massive sur les sondes cos- mologiques. Nous nous intéressons en particulier i) aux anisotropies du fond diffus cosmologiques (CMB); ii) aux distortions spectrales du CMB; iii) aux relevés des structures aux grandes échelles; iv) à la nucléosynthèse primordiale (BBN). Dans un premier temps, nous nous concentrons sur l’impact purement gravitationel de particules massives instables composant la matière noire et calculons les con- traintes les plus fortes à ce jour sur ces modèles. Dans un second temps, nous incluons les canaux élec- tromagnétiques et comparons les capacités des différentes sondes (actuelles et futures) pour rechercher de telles particules. De plus, nous montrons qu’il est possible de résoudre le problème du Lithium cos- mologique grâce à des injections de photons provenant par exemple de désintégrations. Nous étudions ensuite l’impact de particules s’annihilant dans l’univers primordial, en incluant en particulier l’effet de la formation de halos de matière noire et leur rôle complémentaire aux étoiles pour réioniser notre univers. Enfin, nous nous intéressons aux propriétés des neutrinos et démontrons: i) qu’il est possible de détecter de manière non-ambigüe le fond de neutrinos cosmiques dans les données cosmologiques; ii) qu’une analyse combinée des futures données sur le CMB et des relevés aux grandes échelles devraient permettre la première détection à 5σ de la masse des neutrinos. Nos résultats soulignent la complé- mentarité des diverses sondes et la nécessité d’effectuer des analyses combinées lors de la recherche de nouvelle physique, tout particulièrement à l’époque de la cosmologie de précision.
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tel-01693125 , version 2 (05-12-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01693125 , version 1

Citer

Vivian Poulin. Gravitational and electromagnetic signatures of massive relics in Cosmology. Cosmology and Extra-Galactic Astrophysics [astro-ph.CO]. Universite Grenoble Alpes; RWTH Aachen, 2017. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01693125v1⟩
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