Physics of an Inflationary Universe Particle Production and Gravitational Waves

Abstract

Typically in an inflationary setting a scalar field, the inflaton, during a slow-roll phase drives an accelerated expansion and through its quantum vacuum fluctuations provides a mechanism to generate the observed anisotropies in the CMB. However, not many details on both the transition into the better known Standard Cosmology or connections with the know matter in the universe, catalogued in the Standard Model of particle physics, are known. These interactions and transitory epochs are the main focus of this thesis. We present ”field study” of different settings of particle production in an inflationary universe. Initially we present a unified model in which, based on an incomplete decay an inflaton, the same field describes inflation and dark matter. The inflaton interacts with right-handed neutrinos and sneutrinos and we study extensively all of the possible cosmological scenarios that lead to standard cosmology. We follow the evolution of the dark matter sector, the remnant inflaton content and we find DM solutions with WIMP, FIMP or oscillating scalar field candidates. Another case of particle production during inflation is then discussed as we focus on the tachyonic gauge particle production in the standard setting of axion inflation. We study the system in the weak coupling regime and calculate the gravitational wave spectrum produced from this interaction. By adding fermions to the game we are in the proper conditions for the non-perturbative particle production with the Schwinger effect in an expanding background. We will do a study of the particular case in a de Sitter metric and constant electric field, and revise the renormalization of the divergent currents and conductivies addressing reported negative conductivies. Finally, we will start an analysis towards a study of the effects of curved spacetime backgrounds on gravitational waves. With this goal, will try to connect duality symmetries in gravity, in particular for the linear perturbations, to the electric-magnetic duality symmetry for electrodynamics in the absence of sources.

En el contexto inflacionario, típicamente en sistemas inflacionarios con un campo escalar, el inflatón durante una fase de ”slow-roll” induce un periodo de expansión acelerada, y a través de sus fluctuaciones cuánticas tenemos también un mecanismo para generar las anisotropías a gran escala observadas en el CMB. Sin embargo, muy pocos detalles se conocen sobre la transición al modelo cosmológico estándar o sobre las interacciones con la materia conocida en el universo, catalogada en el modelo estándar de física de partículas. Estas mismas interacciones y periodos de transición son el tema de esta tesis, en la que estudiaremos distintos sistemas de producción de partículas en un universo inflacionario. Como primer ejemplo, presentamos un modelo de unificación en el cual, debido a la desintegración incompleta del inflatón, el mismo campo escalar describe inflación y la materia oscura. El inflatón interactúa con neutrinos y sneutrinos derechos, y hemos estudiado extensivamente todos los escenarios de evolución cosmológica que conectan inflación con el modelo cosmológico estándar. Seguimos el comportamiento del inflatón remanente, y encontramos soluciones de materia oscura como WIMP, FIMP o como un campo escalar oscilatorio. Discutimos a continuación otro posible mecanismo de producción de partículas durante inflación, en un sistema con producción ”taquiónica” de partículas gauge abelianas en modelos similares a inflación axiónica. Estudiamos el sistema en el límite de acoplo pequeño y calculamos el espectro de ondas gravitacionales que resulta de esta interacción. Por otra parte, si añadimos fermiones/escalares cargados al sistema tenemos también las condiciones ideales para la producción de dichas partículas a través del mecanismo no perturbativo de Schwinger en un universo en expansión. A diferencia de lo que sucede en el espacio plano, en un espacio curvo de de Sitter se origina una corriente de partículas cargadas aún en el límite de campo eléctrico débil, aunque estudios previos parecen indicar la presencia de conductividades negativas en el límite de masas pequeñas. Revisaremos la renormalización de las corrientes divergentes para escalares en el espacio curvo de de Sitter, resolviendo el problema de la conductividad negativa. Finalmente, incluimos un análisis preliminar del estudio de los efectos de espacios curvos en la propagación de ondas gravitacionales. Con este reto, buscamos conectar simetrías de dualidad en gravedad, con particular enfoque en perturbaciones lineales, a simetrías de dualidad eléctrico magnético en electrodinámica sin fuentes.