Systèmes quantiques ouverts pour la cosmologie primordiale : dissipation, décohérence et effets séculiers des inhomogénéités cosmologiques

This thesis develops the implementation of Open Effective Field Theories in primordial cosmology. Offering a unique window onto unknown physics, primordial cosmology faces uncertainties regarding extensions to the minimal framework of single-field slow-roll inflation. Open Effective Field Theories aim at incorporating the effects of hidden sectors onto this minimal framework. By capturing non-unitary effects such as dissipation and decoherence, they shed new lights on the physics at play in the early universe. In an introductary part, we provide a pedagogical introduction to the implementation of Open Effective Field Theories in cosmology. Particular highlights are made on the approximation schemes and their regime of validity. We present how to access the observables of the system and its quantum information properties and discuss the late-time resummation performed by Open Effective Field theories. In a second part, the results obtained during the Ph.D. are gathered. First, we derive the quantum states of a linear two-field system. It allows us to discuss the dynamical generation of entanglement and provides a theoretical framework for the study of decoherence during inflation. Then, Open Effective Field Theories are benchmarked with an exactly solvable model. In particular, we evaluate their ability to implement non-perturbative resummation in cosmology. Finally, we apply these techniques to study the decoherence induced in the early universe by entropic perturbations onto the curvature perturbations observed in the cosmic microwave background.Cette thèse vise à l'implémentation de la théorie des systèmes quantiques ouverts en cosmologie primordiale. Si cette dernière peut nous offrir un accès sans pareil à la physique des hautes énergies, elle est également confrontée à l'heure actuelle à un ensemble d'incertitudes concernant les possibles extensions au modèle minimal d'inflation à un champs. La théorie des systèmes quantiques ouverts vise à incorporer de manière effective et systématique ces incertitudes dans la description d'un régime connu. Son implémentation nous aiderait à comprendre le rôle des phénomènes dissipatifs et de la décohérence dans l'univers primordial. Dans une première partie, une introduction pédagogique à l'implémentation de la théorie des systèmes quantiques ouverts en cosmologie est proposée. Une attention particulière est portée sur la caractérisation des approximations. Le calcul des observables du système est expliqué et mis en relation avec des notions de théorie de l'information quantique. Une discussion des capacités de re-sommation de ces méthodes est fournie. La seconde partie du manuscrit est dédiée aux résultats obtenus durant le doctorat. Les états quantiques des systèmes linéaires à deux champs sont caractérisés. Ce travail fournit une base théorique à la compréhension de la décohérence durant l'inflation. Dans le cadre d'un modèle intégrable, la confrontation de résultats exacts à ceux provenant d'une théorie effective nous permet d'évaluer sa capacité à implémenter une re-sommation non-perturbative en espace-temps courbe. Les méthodes acquises sont enfin utilisées pour déterminer si la présence de perturbations entropiques décohère les fluctuations adiabatiques observées dans le fond diffus cosmologique