Structure formation in quantum-wave dark matter cosmologies

May, Simon (2022): Structure formation in quantum-wave dark matter cosmologies. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Although the so-called standard model of cosmology has been able to make successful predictions on many physical length scales, it does not provide an explanation for its two central components: (Cold) dark matter and dark energy (in the form of a cosmological constant). This “dark universe”, which makes up more than 95 % of the total cosmic energy budget, still eludes our grasp: It is not known which elementary physical components it is composed of. Particularly with regard to dark matter, the focus has shifted in the recent past, since there has been no trace of the candidates favored thus far even after decades of intensive experimental and observational search using particle- and astrophysical approaches. Ultra-light scalar particles represent an alternative to these candidates, offering intriguing possibilities for their potential detection due to their rich astrophysical phenomenology. Because of their extremely small masses, they do not behave as individual particles, but collectively as waves. This results in a multitude of wave phenomena, such as the formation of solitons and interference patterns or transient, oscillating density fluctuations which are rather reminiscent of quantum-mechanical effects than macroscopic structures. In the course of this dissertation, I will consider cosmological models in which dark matter is composed of exactly such ultra-light bosons. To this end, I employ extensive numerical simulations of cosmic structure formation, which are capable of discerning key physical differences between this model of dark matter and the standard model by means of the non-linear evolution of structure in the universe. As an important goal and tool within the dissertation, I developed the AxiREPO code, which numerically solves the corresponding equations of motions for ultra-light dark matter and can thus compute simulations of the expected formation of cosmic structure. Using this code, I designed, executed and analyzed large simulations of ultra-light and cold dark matter. In particular, different initial conditions were used in order to be able to study and compare both the influence of differences in the primordial density fluctuations as opposed to those which originate due to the dynamics of the equations of motions, as well as different values for the masses of the ultra-light bosons and accounting for baryonic matter.

Abstract

Obwohl das sogenannte kosmologische Standardmodell auf vielen physikalischen Längenskalen erfolgreiche Vorhersagen macht, liefert es keine Erklärung für seine beiden zentralen Bestandteile: Die (kalte) dunkle Materie und die dunkle Energie (in Form einer kosmologischen Konstante). Dieses „dunkle Universum“, welches über 95 % des gesamten kosmischen Energiebudgets ausmacht, entzieht sich unserer Kenntnis: Es ist nicht bekannt, aus welchen elementaren physikalischen Komponenten es besteht. Speziell bezüglich der dunklen Materie hat sich der Fokus in der näheren Vergangenheit verschoben, da nach Jahrzehnten intensiver teilchen- und astrophysikalischer Suche keine Spur von den bisher favorisierten Kandidaten zu finden ist. Ultraleichte Skalarteilchen stellen eine Alternative zu diesen Kandidaten dar, die durch ihre reichhaltige astrophysikalische Phänomenologie interessante Möglichkeiten für ihre potentielle Entdeckung liefern. Aufgrund ihrer extrem geringen Masse verhalten sie sich auf astrophysikalischen Skalen nicht als individuelle Teilchen, sondern kollektiv als Wellen. Dies resultiert in einer Vielzahl von Wellenphänomenen, wie etwa die Bildung von Solitonen und Interferenzmustern oder auf kurzen Zeitskalen oszillierende Dichtefluktuationen, die eher an quantenmechanische Effekte als an makroskopische Strukturen erinnern. Im Rahmen dieser Dissertation befasse ich mich mit kosmologischen Modellen, in denen die dunkle Materie aus ebensolchen ultraleichten Bosonen besteht. Zu diesem Zweck setze ich umfangreiche numerische Simulationen der kosmischen Strukturbildung ein, die in der Lage sind, anhand der nicht-linearen Evolution von Strukturen im Universum entscheidende physikalische Unterschiede zwischen diesem Modell dunkler Materie und dem Standardmodell hervorzuheben. Als ein wichtiges Ziel und Werkzeug der Dissertation habe ich dementsprechend das Programm AxiREPO entwickelt, das die entsprechenden Bewegungsgleichungen ultraleichter dunkler Materie numerisch löst und so Simulationen der erwarteten kosmischen Strukturbildung berechnen kann. Mithilfe dieses Programms habe ich große Simulationen ultraleichter und kalter dunkler Materie geplant, durchgeführt und analysiert. Hierbei wurden insbesondere verschiedene Anfangsbedingungen verwendet, um sowohl den Einfluss von Unterschieden in den primordialen Dichtefluktuationen im Vergleich zu solchen, die von der Dynamik der zu lösenden Bewegungsgleichungen herrühren, als auch verschiedene Werte für die Masse der ultraleichten Bosonen sowie die Berücksichtigung von baryonischer Materie untersuchen und vergleichen zu können.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 30. September 2022
• 1. Bericht­erstatter:in: Springel, Volker