Cosmology with Higgs inflation

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1282-8
Title: Cosmology with Higgs inflation
Author: Tomberg, Eemeli
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Doctoral Programme in Particle Physics and Universe Sciences
Helsinki Institute of Physics
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019-10-18
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1282-8
http://hdl.handle.net/10138/305494
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Cosmic inflation is a hypothetical period in the early universe, where the expansion of space accelerated. Inflation explains many properties of the observed universe, but its cause is not known. Higgs inflation is a model where inflation is caused by the Higgs field of the Standard Model of particle physics, coupled non-minimally to gravity. In this thesis, we study various aspects of cosmology with Higgs inflation. Inflation leaves marks on the cosmic microwave background radiation, and these marks can be used to distinguish inflationary models from each other. We study hilltop Higgs inflation, a model where quantum corrections produce a local maximum into the Higgs potential, and show that there the predicted tensor-to-scalar ratio is less than or equal to 1.2 × 10^-3. This is smaller than the prediction of tree-level Higgs inflation by a factor of four or more and can be probed by next-generation microwave telescopes. We also study reheating, the process where the universe transitions from inflation to radiation domination with a thermal bath of relativistic Standard Model particles. We show that in Higgs inflation, reheating is particularly efficient in the Palatini formulation of general relativity, because there Higgs bosons are produced violently by a tachyonic instability. The duration of reheating affects, for example, the predicted spectral index of the primordial perturbations. Finally, we discuss the production of primordial black holes in Higgs inflation. We show that large quantities of such black holes can be produced, but in order to satisfy observational constraints on large scales, they must be so small that they would have evaporated by now by Hawking radiation. However, if the evaporating black holes left behind Planck mass relics, these could constitute part or all of the dark matter, the dominant, unknown matter component of the universe. Together, these studies show that even though the ingredients that go into Higgs inflation are simple, they lead to a rich phenomenology and offer valuable insights into inflation, gravitational degrees of freedom and the origin of dark matter.Kosminen inflaatio on varhaisen maailmankaikkeuden hypoteettinen ajanjakso, jonka aikana avaruus laajeni kiihtyvästi. Inflaatio pystyy selittämään monet havaitun maailmankaikkeuden erityispiirteet, kuten sen laakeuden ja homogeenisuuden, mutta inflaation aiheuttaneesta mekanismista ei ole varmuutta. Higgsin inflaatiossa hiukkasmallin standardimallissa esiintyvä Higgsin kenttä aiheuttaa kosmisen inflaation. Tässä väitöskirjassa tutkitaan Higgsin inflaatioon liittyvän kosmologian erityispiirteitä. Inflaatio jättää kosmiseen mikroaaltotaustasäteilyyn jälkiä, joiden avulla erilaiset inflaatiomallit voidaan erottaa toisistaan. Väitöskirjassa tutkitaan erästä Higgsin inflaation erikoistapausta, mäenhuippuinflaatiota, jossa kvanttikorjaukset muodostavat Higgsin potentiaaliin paikallisen maksimin, ja lasketaan mikroaaltotaustasäteilyn ennustettu muoto tässä tapauksessa. Malli ennustaa taustasäteilystä mitattavalle tensori-skalaari-suhteelle arvon, joka on vähintään neljä kertaa pienempi kuin tavanomaisessa Higgsin inflaatiossa. Skalaari-tensori-suhdetta ei vielä ole kyetty mittaamaan, mutta ennusteita voidaan verrata tulevaisuuden taustasäteilyhavaintoihin. Väitöskirjassa tutkitaan myös siirtymää kosmisesta inflaatiosta kuumaan varhaiseen maailmankaikkeuteen ja osoitetaan, että siirtymäprosessi on erityisen tehokas yleisen suhteellisuusteorian Palatini-muotoilussa. Siirtymäprosessia hallitsee tällöin Higgsin potentiaalin takyoninen epävakaus, joka tuottaa nopeasti suuren määrän korkeaenergisiä Higgsin hiukkasia. Siirtymän nopeuden tunteminen on tärkeää, koska se vaikuttaa mallin antamiin taustasäteilyennusteisiin. Lopuksi väitöskirjassa tarkastellaan varhaisten mustien aukkojen tuottoa Higgsin inflaatiossa. Tällaisia mustia aukkoja voi syntyä inflaation seurauksena, ja ne voivat toimia havaittuna mutta toistaiseksi tuntemattomana pimeänä aineena. Higgsin inflaatio voi tuottaa suuren määrän mustia aukkoja, mutta kun havaitun mikroaaltotaustasäteilyn asettamat rajat otetaan huomioon, osoittautuu, että syntyvät mustat aukot ovat liian pieniä ollakseen pimeää ainetta — Hawkingin säteily haihduttaa ne nopeasti olemattomiin. Tältä vältytään, jos mustat aukot eivät haihdu täysin vaan jättävät jälkeensä Planckin massaisia jäänteitä. Tällaiset jäänteet voisivat muodostaa kaiken havaitun pimeän aineen. Kaiken kaikkiaan väitöskirjatutkimus osoittaa, että vaikka Higgsin inflaatiota varten tehdyt oletukset ovat yksinkertaisia, malli johtaa moniin mielenkiintoisiin ilmiöihin ja auttaa ymmärtämään kosmista inflaatiota, gravitaatioon liittyviä vapausasteita ja pimeän aineen alkuperää.
Subject: Teoreettinen fysiikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Cosmolog.pdf 386.6Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record