Post-inflationary dynamics: the interplay of Inflaton, Higgs, and Dark Matter

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1304-7
Title: Post-inflationary dynamics: the interplay of Inflaton, Higgs, and Dark Matter
Author: Yoon, Jong-Hyun
Other contributor: Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten
University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Alkeishiukkasfysiikan ja maailmankaikkeuden tutkimuksen tohtoriohjelma
Doktorandprogrammet i elementarpartikelfysik och kosmologi
Doctoral Programme in Particle Physics and Universe Sciences
Helsinki Institute of Physics
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2022-08-15
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1304-7
http://hdl.handle.net/10138/346277
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The existence of dark matter (DM) is one of the strangest and deepest mysteries in the history of physics. Dark matter accounts for more than 26% of the total energy density of the Universe, more than five times the amount of visible matter. There are several candidate particles for DM, some of which are believed to be detectable mainly in three types of experiments: collider search, direct detection, and indirect detection experiments. Currently, no convincing signatures of dark matter have been detected, which may indicate that dark matter interactions are very weak or feeble. The origin and emergence of DM are questions of fundamental importance, intimately connected to the origin of matter. In the early Universe, primordial particles thermalize and form a hot dense particle soup by the process known as reheating, the onset of the thermal history of the Universe. As the Universe cools down by the expansion of space, the plasma constituents start forming more complicated objects such as dust, stars, and galaxies. The Horizon and Flatness problems of the Big Bang cosmology indicate that there must have been an additional, essential stage in the Universe evolution preceding the thermal era. A theory of cosmic inflation came out as a solution to those problems in the late 1970s. According to modern inflationary theories, our Universe underwent an exponential expansion of space for a very short period of time, and the dynamics of this expansion can be understood in terms of a real scalar field, inflaton. In this thesis, we study in detail the DM production by a classical inflaton field. Given that there are no DM signatures in direct/indirect experiments, one is motivated to examine very weakly or feebly interacting DM and mechanisms of its production in the early Universe. This work requires both analytical and numerical calculations, in particular, lattice simulations. The latter accounts for important non-linear and non-perturbative effects such as resonances, backreaction, and rescattering. We find that the resulting DM abundance can fit all of the known constraints even for tiny values of the inflaton-DM couplings, which reinforces the importance of such interactions in cosmology.Pimeän aineen olemassaolo on yksi fysiikan historian oudoimmista ja syvällisimmistä mysteereistä. Pimeän aineen osuus maailmankaikkeuden kokonaisenergiatiheydestä on yli 26 %, yli viisi kertaa näkyvään aineeseen verrattuna. Pimeälle aineelle on olemassa useita ehdokashiukkasia, joista osan uskotaan olevan havaittavissa pääasiassa kolmentyyppisissä kokeissa: hiukkaskiihdyttimillä sekä suoran ja epäsuoran havaitsemisen kokeilla. Vakuuttavia pimeän aineen merkkejä ei ole vielä havaittu, mikä saattaa viitata pimeään aineiden vuorovaikutusten olevan hyvin heikkoja. Pimeän aineen alkuperä ja ilmaantuminen ovat perustavanlaatuisia kysymyksiä, kytköksissä läheisesti aineen alkuperään. Varhaisessa universumissa, hiukkaset termalisoituivat ja muodostavat kuuman tiheän hiukkasplasman uudelleenlämpenemisenä (reheating) tunnettuna prosessina. Tämä aloitti maailmankaikkeuden termaalin historian (thermal history). Universumin jäähtyessä ja avaruuden laajentuessa plasman aineosat alkoivat muodostaa monimutkaisempia rakenteita, kuten pölyä, tähtiä ja galakseja. Alkuräjähdysteorian horisontti- ja laakeusongelmat viittaavat siihen, että Universumin kehityksessä on täytynyt olla toinen, olennainen vaihe ennen termaalia vaihetta. Kosmisen inflaation teoria muodostui mahdolliseksi ratkaisuksi ongelmaan 1970-luvun lopulla. Nykyaikaisten inflaatioteorioiden mukaan meidän Universumimme laajeni hyvin lyhyen ajan eksponentiaalisesti, ja laajentumisen dynamiikka voidaan ymmärtää reaalisen skalaarikentän, inflatonin avulla. Tässä opinnäytetyössä tutkimme yksityiskohtaisesti pimeän aineen tuotantoa klassisen inflatonikentän avulla. Ottaen huomioon, että suorissa tai epäsuorissa kokeissa ei ole pimeän aineen merkkejä, on perusteltua tutkia hyvin heikosti vuorovaikuttavaa pimeää ainetta ja sen syntymekanismeja varhaisessa Universumissa. Tämä työ vaatii sekä analyyttisiä että numeerisia laskuja, erityisesti hilasimulaatioita. Jälkimmäinen ottaa huomioon tärkeitä epälineaarisia ja epäpertubatiivisia vaikutuksia, kuten resonanssit, vastareaktion ja uudelleensironnan. Havaitsemme, että tuloksena oleva pimeän aineen runsaus voi sopia kaikkiin tunnettuihin rajoituksiin jopa pienille inflatonin ja pimeän aineen kytkentöjen arvoille, mikä vahvistaa tällaisten vuorovaikutusten merkityksen kosmologiassa.
Subject: physics
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
yoon_jong-hyun_dissertation_2022.pdf 1.511Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record