Topics in Early Universe Cosmology

The study of the Early Universe raises some of the most fundamental questions in theoretical physics. This thesis explores three main aspects of early universe cosmology. The first part discusses alternatives to the Big Bang scenario which is the current paradigm of cosmology. Namely, it discusses bouncing universe models where the initial Big Bang singularity is replaced by a finite size universe. After reviewing the necessary cosmology background in the introduction, we show a specific model of a bouncing universe that contains additional "Lee-Wick fields", partners to the standard fields. In particular we prove that a Lee-Wick matter bounce is unstable when one adds radiation to matter. In the second part of this thesis, we consider particle production via parametric resonance during preheating, at the end of cosmological inflation. Specifically, we prove that in the case of a speed-limited inflaton, non-canonical kinetic terms used to described any effective Lagrangian do not enhance particle production. Finally, the last topic involves topological defects during the Quantum Chromodynamics phase transition. Namely, we study cosmic strings coming from pion fields present in the Standard Model of particle physics and find a mechanism to stabilize them. We show how a thermal bath of photons reduces the effective vacuum manifold to a circle and thus allows the presence of topologically stable pion strings.
L'étude de l'Univers primordial adresse quelques-unes des questions les plus fondamentales de la physique théorique. Cette thèse a pour objet l'exploration de trois aspects principaux de la cosmologie primordiale. Dans un premier temps, nous discutons d'une alternative au paradigme scientique qu'est le modèle du Big Bang. A savoir, nous explorons un modèle d'univers à rebond qui évite la singularité initiale du Big Bang. Nous commencerons dans l'introduction par revoir les éléments de base nécessaires à la compréhension de la cosmologie. A la suite de quoi, nous montrerons un modèle spécifique d'Univers à rebond contenant des champs additionnels particuliers en complément des champs présents habituellement. Ces nouveaux champs proviennent de ce qui s'appelle le modèle "Lee-Wick" de la physique des particules. En particulier, nous prouvons qu'un univers à rebond dans ce contexte est instable lorsque l'on ajoute une composante de radiation en plus de la matière. Dans la seconde partie, nous considérons la production de particules via un phénomène de résonance paramétrique durant la phase de "préchauffement", a la fin de l'inflation cosmologique. Plus précisément, nous prouvons que dans le cas où l'inflation a une limite de vitesse, les termes cinétiques non-canoniques décrivant n'importe quel Lagrangien effectif n'améliorent pas la production de particules. Finalement, le dernier sujet aborde concerne les défauts topologiques pendant la transition de phase de la chromodynamique quantique. A savoir, nous étudions les cordes cosmiques provenant des champs de pions présents dans le modèle standard de la physique des particules et trouvons un méchanisme pour les stabiliser. Nous prouvons alors qu'un bain thermique de photons en contact avec ces cordes réduit la variété du vide à un cercle. Cela a pour effet d'autoriser la présence de "cordes pioniques" topologiquement stables.