Physics of an Inflationary Universe Particle Production and Gravitational Waves
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Torres Manso, AntónioEditorial
Universidad de Granada
Director
Bastero Gil, MarDepartamento
Universidad de Granada. Programa de Doctorado en Física y Ciencias del EspacioFecha
2024Fecha lectura
2024-06-03Referencia bibliográfica
Torres Manso, António. Physics of an Inflationary Universe Particle Production and Gravitational Waves. Granada: Universidad de Granada, 2024. [https://hdl.handle.net/10481/93069]
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Tesis Univ. Granada.Resumen
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.