Simulating the inflationary Universe: from single-field to the axion-U(1) model

Caravano, Angelo (2022): Simulating the inflationary Universe: from single-field to the axion-U(1) model. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

The observed homogeneity and spatial flatness of the Universe suggest that there was a period of accelerated expansion just after the Big Bang, called inflation. In the standard picture, this expansion is driven by the inflaton, a scalar field beyond the standard model of particle physics. If other fields are present during this epoch, they can leave sizable traces on inflationary ob- servables that might be revealed using upcoming experiments. Studying the phenomenological consequences of such fields often requires going beyond perturbation theory due to the nonlinear physics involved in several non-minimal inflationary scenarios. We present a nonlinear study of the inflationary epoch based on numerical lattice simulations. Lattice simulations are a well-known tool in primordial cosmology, and they have been exten- sively used to study the reheating epoch after inflation. We generalize this known machinery to the inflationary epoch. Being this the first simulation of the inflationary epoch much before the end of inflation, the first part of the thesis focuses on the minimal single-field model of inflation. We discuss the conceptual and technical ingredients needed to simulate inflation on a lattice. The simulation is used to reproduce the nearly scale-invariant spectrum of scalar perturbations, as well as the oscillations in the power spectrum caused by a step in the potential. In the second part, we focus on the more complicated axion-U(1) model of inflation, and present the first lattice simulation of this model during the deep inflationary epoch. We use the simulation to discover new properties of primordial scalar perturbations from this model. In the linear regime of the theory, we find high-order non-Gaussianity (beyond bispectrum and trispec- trum) to be key to describing the statistical properties of scalar perturbations. Conversely, we find perturbations to be nearly Gaussian in the nonlinear regime of the theory. This relaxes existing constraints from the overproduction of primordial black holes, allowing for a gravitational waves signal in the observable range of upcoming experiments such as LISA. Our results show that lattice simulations can be a powerful tool to study the inflationary epoch and its observational signatures.

Abstract

Die beobachtete Homogenität und räumliche Flachheit des Universums lassen vermuten, dass es unmit- telbar nach dem Urknall eine Periode beschleunigter Expansion gab, die als Inflation bezeichnet wird. Generell wird angenommen, dass diese Expansion durch das Inflaton angetrieben wird, ein Skalarfeld jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik. Wenn während dieser Epoche andere Felder vorhan- den sind, können sie deutliche Spuren in Observablen hinterlassen, die mit Hilfe von zukünftigen Ex- perimenten beobachtet werden könnten. Die Untersuchung der Phänomenologie solcher Felder ist eine besondere Herausforderung. Aufgrund der nichtlinearen Physik, die in verschiedenen nicht-minimalen Inflationsszenarien involviert ist, ist es oft nötig, über die Störungstheorie hinauszugehen. Wir präsentieren eine nichtlineare Studie der inflationären Ära, die auf numerischen Gittersimulatio- nen basiert. Gittersimulationen sind ein bekanntes Werkzeug in der primordialen Kosmologie, und sie wurden ausgiebig zur Untersuchung der Wiedererwärmungsepoche am Ende der Inflation verwendet. Wir verallgemeinern dieses Verfahren auf die inflationäre Ära selbst. Da dies die erste Simulation der in- flationären Epoche lange vor dem Ende der Inflation ist, konzentriert sich der erste Teil der Arbeit auf das einfachste Modell der Inflation, getrieben von einem einzelnen Feld. Wir diskutieren die konzep- tionellen und technischen Voraussetzungen für die Simulation von Inflation auf einem Gitter. Die Simu- lation wird verwendet, um das nahezu invariante Spektrum skalarer Störungen sowie die Oszillationen im Leistungsspektrum zu reproduzieren, die durch eine Stufe im Potential verursacht werden. Im zweiten Teil konzentrieren wir uns auf das komplexere Axion-U(1)-Inflationsmodell und präsen- tieren die erste Gittersimulation dieser Theorie während der frühen Inflationsepoche. Im Axion-U(1)- Modell führt eine effiziente Produktion von Eichbosonen oft zu starken Rückkopplungen, so dass man über die Störungstheorie hinausgehen muss, um die interessanten Vorhersagen zu untersuchen. Dank der Simulation entdecken wir neue statistische Eigenschaften von primordialen Skalarstörungen in diesem Modell. Im linearen Bereich der Theorie stellen wir fest, dass Nicht-Gaußsche Statistiken höherer Ord- nung (jenseits von Bispektrum und Trispektrum) der Schlüssel zur Beschreibung der statistischen Eigen- schaften von skalaren Störungen sind. Umgekehrt stellen wir fest, dass die Störungen im nichtlinearen Bereich der Theorie nahezu gaußförmig sind. Dies lockert die bestehenden Einschränkungen im Param- eterraum, die sich aus der Überproduktion primordialer schwarzer Löcher ergeben, und deutet auf ein Gravitationswellensignal hin, das im beobachtbaren Bereich künftiger Experimente wie LISA liegt.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Cosmology, inflation, simulations
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 15. September 2022
• 1. Bericht­erstatter:in: Weller, Jochen