Probing Gravitational Degrees of Freedom through Cosmic Inflation

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5348-7
Title: Probing Gravitational Degrees of Freedom through Cosmic Inflation
Author: Wahlman, Lumi-Pyry
Contributor organization: University of Helsinki, Faculty of Science
Doctoral Programme in Particle Physics and Universe Sciences
Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
Alkeishiukkasfysiikan ja maailmankaikkeuden tutkimuksen tohtoriohjelma
Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten
Doktorandprogrammet i elementarpartikelfysik och kosmologi
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019-08-02
Language: eng
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5348-7
http://hdl.handle.net/10138/303929
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Among all models of inflation, Higgs inflation stands out in its minimalistic approach. In Higgs inflation, the Standard Model Higgs boson drives the expansion of the spacetime. The properties of the Higgs boson are known from collider experiments, and the only new ingredient is a non-minimal coupling of the Higgs boson to gravity. There is no need to add any new particles, and the non-minimal coupling is the only free parameter of the model. While the predictions of Higgs inflation agree with observations at classical level, loop corrections to the Higgs self-potential and gravitational action complicate the picture. From the renormalisation group equations of the Standard Model it is known that the Higgs self-coupling decreases when the energy scale increases. Significant running at the scale of inflation can foil the flat plateau of tree-level inflation. It is also known that loop corrections to gravity will destabilise pure Higgs inflation. There is also another fundamental source of uncertainty: the gravitational degrees of freedom. In Higgs inflation, the spacetime metric is usually taken to be the only gravitational degree of freedom, but this need not be the case. In the Palatini formulation of General Relativity both the metric and the connection are independent degrees of freedom. In the case of Higgs inflation, these two approaches lead to physically inequivalent theories. This thesis focuses on the differences of Higgs inflation in metric and the Palatini formulation. First we show that the metric perturbations must be quantised, if the Higgs boson is the inflaton. Then we consider loop corrections to the Higgs self-coupling, and find that the tensor-to-scalar ratio is smaller in the Palatini formulation. We also consider dimension four correction terms in the gravitational action and find a similar effect on the tensor-to-scalar ratio. There is no clear theoretical indication of how to choose the gravitational degrees of freedom. Hence it is important to be able to differentiate between different choices by observations. We find that the metric and Palatini formulation of General Relativity have distinct cosmological signatures, which can be tested with next generation experiments. If a non-zero tensor-to-scalar ratio is detected, we can rule out Higgs inflation in the Palatini formulation.Kosmologia on tieteenala, joka tutkii maailmankaikkeuden suurimpia rakenteita ja sen kehitystä kokonaisuutena. Nykykäsityksen mukaan varhaisessa maailmankaikkeudessa oli kiihtyvän laajenemisen vaihe, jota kutsutaan inflaatioksi. Tällainen kehitysvaihe selittää useita suuren skaalan havaintoja, kuten maailmankaikkeuden homogeenisuuden ja isotrooppisuuden sekä kosmisen taustasäteilyn pienet lämpötilaerot. Vaikka kosmologian tutkimuskohteena on maailmankaikkeus kokonaisuutena, sillä on myös yhtymäkohtia alkaishiukkasfysiikkaan, joka tutkii maailmankaikkeuden pienimpiä rakenneosasia. Ehkä tunnetuin näistä rakennuspalikoista on Higgsin bosoni, jonka löytymisestä raportoitiin 2012 suuren lehdistöjulkisuuden saattelemana. Higgsin bosoni on inflaation kannalta kiinnostava hiukkanen, sillä se voi saada aikaan kiihtyvän laajenemisen vaiheen varhaisessa maailmankaikkeudessa. Tällaista mallia kutsutaan Higgs-inflaatioksi. Higgs-inflaatio on erityisen mielenkiintoinen malli, koska se yhdistää hiukkaskiihdyttimissä tehdyt kokeet satelliiteilla kosmisesta taustasäteilystä tehtyihin havaintoihin. Samalla se tarjoaa mahdollisuuden tutkia hiukkasfysiikan standardimallia ja gravitaatiota energiaskaaloilla, joita ei ole mahdollista saavuttaa hiukkaskiihdyttimissä. Tämä väitöskirja keskittyy siihen, mitä voimme saada selville gravitaatiovapausasteista taustasäteilystä tehtyjen havaintojen pohjalta, jos Higgsin bosoni on vastuussa inflaatiosta. Väitöskirjassa käydään läpi useita erilaisia vaihtoehtoja Higgs-inflaatiolle, ja verrataan niiden ennusteita havaintoihin. Erityisesti väitöskirjassa osoitetaan, että vapausasteiden määrä on mahdollista määrittää seuraavan sukupolven havaintolaitteiden avulla.
Subject: teoreettinen fysiikka, kosmologia
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
ProbingG.pdf 906.4Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record