Energie noire et théorie des cordes // dark energy and string theory

Topic description

Notre univers est en expansion, et cette expansion est actuellement accélérée. Cette observation surprenante amène les cosmologistes à inclure une composante appelée énergie noire, responsable de cette accélération, parmi les constituants de l'univers. Cependant, la nature de cette énergie noire reste incomprise. Une question importante est de savoir si sa densité d'énergie est constante dans le temps, telle une constante cosmologique, ou si elle varie, la rendant dynamique. Ces dernières années, cette question a été au centre de nombreuses recherches, théoriques et observationnelles.

Côté observations, les résultats récents de DES et DESI indiquent qu'une constante cosmologique (et le modèle ΛCDM associé) n'est pas le seul scénario possible: les modèles d'énergie noire dynamique apparaissent comme une alternative viable. Côté théorie, de nombreux travaux ont proposé et testé des modèles d'énergie noire dynamique, e.g. des modèles de quintessence. Ceux-ci considèrent, telle l'inflation, des champs scalaires évoluant le long d'un potentiel scalaire. Un effort important a été dédié à la dérivation de tels modèles depuis la théorie des cordes, et à vérifier s'ils peuvent reproduire les observations possibles d'une énergie noire dynamique.

Ce contexte scientifique actif rend l'exploration des modèles de quintessence, tels qu'obtenus et contraints par la théorie des cordes, et leur confrontation aux données observationnelles, tout-à-fait d'actualité. Cette double approche devrait permettre de discriminer les options concernant la nature de l'énergie noire. Dans ce contexte, ce projet de thèse a trois objectifs:

1. Étudier les solutions cosmologiques dans un modèle à potentiel multi-exponentiel, incluant éventuellement une courbure spatiale, et les comparer à l'histoire de notre univers ainsi qu'aux contraintes observationnelles récentes.

Les potentiels scalaires avec exponentielles apparaissent naturellement dans les constructions de théorie des cordes, notamment dans les régimes où les corrections sont bien contrôlées. Par ailleurs, une courbure spatiale négative (c'est-à-dire un univers ouvert) peut également être motivée par la théorie des cordes. Il est donc naturel d'étudier de tels modèles explicites et leurs prédictions cosmologiques.

2. Analyser la validité observationnelle des solutions de quintessence dans des modèles multi-champs motivés par la théorie des cordes, présentant un maximum de type de Sitter dans le potentiel scalaire, ainsi que les corrections cordistes possibles.

Des modèles explicites 4d ont été obtenus par compactification de supergravités de type II en 10d sur des espaces compacts à 6d, un cadre motivé par la théorie des cordes. Les termes cinétiques et le potentiel de la vingtaine de champs scalaires sont connus. De plus, un maximum de de Sitter est systématiquement présent et peut servir de point de départ à une solution où un champ scalaire roule et évolue. Vus comme des modèles de quintessence 'hilltop', ces exemples offrent un ensemble varié pour tester les solutions cosmologiques correspondantes.

3. Étudier les constructions cordistes fournissant à la fois de la matière et un champ de quintessence, analyser leurs couplages et les contraintes associées à une cinquième force et les variations des constantes fondamentales.

Obtenir un scénario viable de quintessence nécessite de connaître les couplages entre le secteur de la matière (par ex. la physique des particules du modèle standard) et l'énergie noire (sous forme de champs scalaires dynamiques). En effet, une variation récente du champ de quintessence pourrait entraîner des problèmes de type cinquième force, variations des constantes de couplage, etc. Il serait intéressant de voir quels types de couplages la théorie des cordes peut offrir. La corde hétérotique offre un cadre idéal où la physique des particules, les champs scalaires et leur potentiel peuvent être dérivés explicitement, permettant d'étudier de tels modèles de quintessence.
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Our universe is known to be expanding, and in addition, this expansion is currently accelerating. This puzzling observation requires cosmologists to include a component named dark energy, responsible for this accelerated expansion, among the constituents of our universe. However, the nature of this dark energy is not understood. An important question is whether the dark energy density is constant in time, as given by a cosmological constant, or whether it varies, making it dynamical. In recent years, this question has been under heavy scrutiny, both from a theoretical and an observational perspective.

On the observational side, recent results have been reported by DES and DESI indicating that a cosmological constant (and the associated ΛCDM model) is not the only admissible scenario; rather, dynamical dark energy models appear as a viable alternative. On the theory side, a lot activity has been carried-out, proposing and testing models of dynamical dark energy, in particular quintessence models. Those consider, similarly to inflation, scalar field(s) rolling along a scalar potential. A particular effort has been made in trying to derive such models from string theory, and in testing whether they can reproduce possible observations of dynamical dark energy.

This exciting scientific context makes it very timely to explore options for quintessence models, as obtained and constrained from string theory, while confronting them with current and coming observational data. This two-sided approach should be fruitful in narrowing down the options for the nature of dark energy.

In this context, this project for a Ph.D. thesis has three distinct objectives:

1. In a model with a multi-exponential potential, possibly with spatial curvature, explore the cosmological solutions; compare them to our universe history and recent observational constraints.

Scalar potentials containing multiple exponentials commonly arise from string theory constructions, especially in regimes where stringy corrections to the model are small and well controlled; the potential then typically exhibits asymptotic exponential behaviours. In addition, negative spatial curvature (i.e., an open universe) can also be well motivated by string theory. It is therefore natural to investigate such explicit models and their cosmological predictions.

2. In explicit string-motivated multi-field models with a de Sitter maximum of the scalar potential, study the observational validity of quintessence solutions, and possible stringy corrections.

Various explicit 4d models have been obtained by compactification of 10d type II supergravities on 6d compact group manifolds, a string-motivated setting. The 4d kinetic terms and the scalar potential of the approximately 20 scalar fields are explicitly known. In addition, a de Sitter maximum is systematically present and can serve as a starting point to a rolling solution. Viewed as (hilltop) quintessence models, this variety of examples offers an interesting large set where to test the corresponding cosmological solutions.

3. Consider string constructions that provide matter together with a quintessence field, and study their coupling, and related constraints on fifth forces and variations of fundamental constants.

Getting a viable quintessence scenario requires the knowledge of possible couplings between the matter sector (e.g. particle physics of the standard model) and dark energy (in the form of dynamical scalar fields). Indeed, in the universe history, a recent variation of the quintessence field could lead to fifth force issues, variations of coupling constants, etc. It would be interesting to see what type of coupling string theory has to offer. A good starting point could be heterotic string, where particle physics, scalar field dependences and their scalar potential can be derived explicitly in some examples, allowing to study coupled quintessence models obtained from string theory.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Concours pour un contrat doctoral