Inflation Cosmologique: Aspects Théoriques et Contraintes Observationnelles

This thesis by publication is devoted to the study of the observational constraints on cosmological inflationary models, and to the investigation of fundamental aspects related to the quantum nature of the inflationary physics. Inflation is an early phase of accelerated expansion taking place at very high energy. On top of being a solution for the hot big bang model problems, combined with quantum mechanics, inflation provides a causal mechanism for the production of cosmological fluctuations on large scales, that later give rise to today’s cosmic structures. Given that it takes place at energy scales many orders of magnitude larger than what can be achieved in conventional particle physics experiments, inflation has become of great interest to test beyond standard model physics.We first present a systematic analysis of all single-scalar-field inflationary models with canonical kinetic terms, in light of the most up-to-date Cosmic Microwave Background (CMB) measurements. Reheating consistent slow-roll predictions are derived for ∼ 75 potentials, and Bayesian inference and model comparison techniques are developed to arrange a landscape of ∼ 200 inflationary models and associated priors. In this way, we discuss what are the best models of inflation in light of the recent observations, and we properly quantify tension between data sets. Related to this massive sampling, we highlight the shortcomings of model independent approaches such as the one of “horizon-flow”. We also pave the way for extending our computational pipeline to k-inflation models by calculating the power spectrum at next-to-next-to leading order for this class of models.In a second part, we describe some aspects related to the quantum nature of the inflationary setup. In particular, we make use of the stochastic inflation formalism, which incorporates the quantum corrections to the inflationary dynamics, in the two-field model of hybrid inflation. We discuss how the quantum diffusion can affect the observable predictions in such models, and we design a recursive strategy that incorporates its effects on the perturbations amplitude. Finally, we investigate the quantum-to-classical transition and the quantum measurement problem in a cosmological context. We apply a dynamical wavefunction collapse model to the description of inflationary perturbations.Dans cette thèse sur articles nous nous intéressons aux contraintes observationnelles sur les modèles d’inflation cosmologique et nous étudions certains aspects fondamentaux liés à la nature quantique de la physique inflationnaire. L’inflation est une période d’expansion accélérée intervenant dans l’Univers primordial à très hautes énergies. En plus d’être une solution possible aux problèmes du modèle standard de la cosmologie dit du “big bang chaud”, combinée à la mécanique quantique, l’inflation permet la production causale de fluctuations cosmologiques sur les grandes échelles, qui sont à l’origine des structures cosmiques actuelles. Mettant en jeu des énergies colossales au regard de ce qui peut être réalisé dans un accélérateur de particules, l’inflation est devenue un objet d’intérêt majeur en cosmologie pour tester la physique des hautes énergies au delà de son modèle standard.Nous commençons par analyser de fac ̧on systématique tous les modèles inflationnaires à un champ scalaire et avec terme cinétique standard, à la lumière des mesures du fonds diffus cosmologique les plus récentes. Dans l’approximation du roulement lent, et en intégrant les contraintes venant de la phase de réchauffement, nous dérivons les prédictions associées à environ 75 potentiels. Nous utilisons ensuite les techniques d’inférence Bayésienne pour classer près de 200 modèles inflationnaires et contraindre leurs paramètres. Cela permet d’identifier les modèles favorisés par les observations et de quantifier les niveaux de tensions entre les différents jeux de données. L’intérêt d’une telle approche est renforcé par l’étude de méthodes indépendantes du modèle telle que le “flot de Hubble”, qui se révèle biaisé. Nous calculons également le spectre de puissance au deuxième ordre pour les modèles d’inflation-k, afin de permettre leur intégration future dans notre analyse numérique.Dans une deuxième partie, nous décrivons certains aspects liés à la nature quantique de la physique inflationnaire. Le formalisme de l’inflation stochastique, qui incorpore les corrections quantiques aux dynamiques inflationnaires, est notamment utilisé dans le cadre du modèle à deux champs d’inflation hybride. Nous discutons l’impact de ces corrections sur les prédictions de ce modèle, et à l’aide d’un formalisme récursif, nous nous intéressons à la fa ̧con dont elles modifient l’amplitude des perturbations. Finalement, la transition quantique-classique, et le problème de la mesure quantique, sont étudiés dans un contexte cosmologique. Un modèle de réduction dynamique du paquet d’onde est appliqué à la description des perturbations inflationnaires