Phenomenological aspects of bimetric theory

Lüben, Marvin (2021): Phenomenological aspects of bimetric theory. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Wir beschäftigen uns mit der von Hassan und Rosen präsentierten geistfreien bimetrischen Gravitationstheorie, welche eine Erweiterung der Allgemeinen Relativitätstheorie darstellt. Diese Theorie postuliert zusätzlich zum gewöhnlichen masselosen Spin-2 Teilchen ein weiteres massives Spin-2 Teilchen, welche vollständig nichtlinearen (Selbst-)Interaktionen unterliegen. Wir schlagen ein neues vereinheitlichendes Rahmenwerk vor, das uns erlaubt, die Theorie konsistent und umfassend mithilfe theoretischer und beobachtungsbezogener Überlegungen einzuschränken. Dieses Rahmenwerk fußt auf den folgenden Parametern, die eine direkte physikalische Interpretation ermöglichen: die Masse des Spin-2 Teilchens, seine Kopplungsstärke an Standardteilchen, sowie die effektive kosmologische Konstante. Wir ermitteln theoretische Einschränkungen an diese Parameter, welche eine konsistente kosmische Expansionsgeschichte garantieren, d.h. reellwertig, nicht-singulär und ohne Higuchi-Geist. Ferner bestimmen wir solche Parameterkombinationen, die zu wohl-definierten kosmologischen Perturbationen mithilfe des Vainshtein-Mechanismus führen. Nach diesen formellen Überlegungen, stellen wir unsere Theorie kosmologischen und lokalen Gravitationstests sorfältig gegenüber. Wir finden heraus, daß die bimetrische Gravitationstheorie genauso gut zu diesen beobachteten Daten passt wie das kosmologische Standardmodell. Aus theoretischer Perspektive impliziert das eine Präferenz für die selbst-beschleunigenden bimetrischen Modelle, welche keine Vakuumenergie beinhalten. Interessanterweise ist die Theorie mit den Beobachtungen selbst dann vereinbar, wenn das massive Spin-2 Teilchen äußerst schwer ist. Unsere Untersuchungen liefern die bisher umfassendsten und stringentesten Einschränkungen an diese Theorie. Zu guter Letzt betrachten wir das frühe Universum und beschäftigen uns mit Konsequenzen des massiven Spin-2 Teilchens auf die kosmische Inflation. Wir zeigen, daß Unitarität eine obere Schranke an die Steigung des Inflatonpotentials impliziert, welche die aus der de Sitter-Sumpfland-Vermutung resultierende untere Schranke ergänzt.

Abstract

We are concerned with ghost-free bimetric theory due to Hassan and Rosen, an extension of General Relativity. The theory proposes to supplement the usual massless spin-2 field with an additional massive spin-2 field, which (self-)interact fully nonlinearly. We propose a new unified framework, which allows to consistently and comprehensively constrain bimetric theory by means of theoretical and observational considerations. Our framework builds upon the following physically interpretable parameters: the mass of the spin-2 field, its coupling strength to ordinary matter, and the effective cosmological constant. We compute theoretical constraints on these parameters to ensure a viable cosmic expansion history, i.e. real-valued, non-singular, and devoid of the Higuchi ghost. We then identify those parameter combinations that are a priori consistent on the level of cosmological perturbations due to the Vainshtein screening mechanism. Building upon these formal considerations, we perform a thorough confrontation of bimetric theory with cosmological and local tests of gravity. We find that bimetric theory generally fits the observed data as good as the cosmological standard model, signaling a theoretical preference for the self-accelerating models devoid of vacuum energy. Interestingly, even a heavy spin-2 field is perfectly consistent with the observed data. Our investigations yield the to date most comprehensive and stringent constraints on bimetric theory. We finally move to the early universe and explore consequences of a massive spin-2 field on cosmic inflation. We show that unitarity leads to an upper bound in the inflaton potential, which complements the lower swampland de Sitter bound.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Cosmology, Modified Gravity, Dark Energy
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 14. Juni 2021
• 1. Bericht­erstatter:in: Weller, Jochen