The fate of magnetic monopoles in the early universe

Bachmaier, Maximilian (2026): The fate of magnetic monopoles in the early universe. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics

Abstract

This thesis investigates the properties and cosmological implications of topological defects, with a specific focus on magnetic monopoles and their role in the early Universe. The first part of this thesis serves as an introduction to topological defects and reviews several features of domain walls, vortices and strings, as well as magnetic monopoles. This also includes their behaviour in soliton-anti-soliton collisions, as well as their characteristics in the dynamics of multiple solitons of the same charge. The current status of research on the dynamics of topological defects is presented, and new results are discussed. The new findings include multi-bouncing behaviour in vortex-anti-vortex collisions, the influence of mode excitations on the moduli space motion of vortices, and the first fully field-theoretic simulations of collisions of magnetic monopoles with the same charge. The second part of this thesis addresses the role of magnetic monopoles in the early Universe. It is assumed that the Standard Model originates from a Grand Unified Theory, which unifies the three fundamental forces of particle physics: the electromagnetic, weak, and strong interactions. However, such unification scenarios generically predict an overabundance of magnetic monopoles. This thesis focuses on two possible solutions to this cosmological magnetic monopole problem that are based on interactions between different types of topological defects. The first is the erasure of magnetic monopoles through collisions with domain walls. Through this process, the number of monopoles may be reduced to a level that is consistent with observations. The second solution involves confining the magnetic flux of monopoles into magnetic flux tubes. In this way, monopoles become connected by cosmic strings, which pull them together until they collide and annihilate. Numerical simulations of both mechanisms are presented, and their cosmological implications are discussed in this thesis. Last but not least, a modification of the magnetic monopole confinement mechanism, the so-called "slingshot effect", is presented. It describes monopoles colliding with a wall that separates the Coulomb phase from a confining phase. When the monopole enters the confining phase, it stretches a cosmic string connecting it to the wall. The numerical results on the dynamics of this slingshot mechanism are presented, and applications in other fields, such as QCD confinement or D-brane physics, are discussed. Moreover, the slingshot effect, which is relevant in the early Universe, could leave observable imprints such as gravitational radiation, primordial black holes, and dark matter. This thesis provides first estimates of the bounds on these observables.

Abstract

Diese Dissertation untersucht die Eigenschaften und kosmologischen Konsequenzen von topologischen Defekten. Der Fokus liegt auf magnetischen Monopolen und ihrer Rolle im frühen Universum. Der erste Teil dieser Arbeit dient als Einführung in topologische Defekte. Einige Eigenschaften von Domain Walls, Vortices und Strings sowie magnetischen Monopolen werden diskutiert. Dies beinhaltet auch ihr Verhalten in Soliton-Antisoliton-Kollisionen sowie ihre Eigenschaften in der Dynamik von mehreren Solitonen gleicher Ladung. Der aktuelle Forschungsstand zur Dynamik von topologischen Defekten ist präsentiert und neue Ergebnisse werden diskutiert. Neue Resultate beinhalten das Mehrfach-Rückprallverhalten in Vortex-Anti-Vortex-Kollisionen, den Einfluss von Modenanregungen auf die Moduli-Raum-Dynamik von Vortices und die ersten komplett feldtheoretischen Simulationen von Kollisionen von magnetischen Monopolen gleicher Ladung. Der zweite Teil dieser Dissertation thematisiert die Rolle von magnetischen Monopolen im frühen Universum. Es wird angenommen, dass das Standardmodell von einer großen vereinheitlichten Theorie abstammt, welche die drei fundamentalen Kräfte der Teilchenphysik, die elektromagnetische, die schwache und die starke Wechselwirkung, vereint. Allerdings sagen solche vereinheitlichten Theorien in der Regel einen Überfluss von magnetischen Monopolen voraus. Diese Arbeit fokussiert sich auf zwei mögliche Lösungen für dieses kosmologische Problem der magnetischen Monopole, welche auf Interaktionen zwischen verschiedenen unterschiedlichen Typen von topologischen Defekten basieren. Diese erste Lösung beschreibt die Auslöschung von magnetischen Monopolen durch die Kollision mit Domain Walls. Durch diesen Prozess kann die Anzahl an Monopolen auf ein Level reduziert werden, das konsistent mit Beobachtungen ist. Die zweite Lösung ist, dass der magnetische Fluss von den Monopolen in magnetischen Flussröhren konzentriert (confined) werden kann. Dadurch verbinden sich magnetische Monopole durch kosmische Strings, welche diese zusammenziehen, bis sie kollidieren und sich auslöschen. Es werden numerische Simulationen zu beiden Mechanismen präsentiert, und deren kosmologische Konsequenzen werden in dieser Dissertation diskutiert. Zu guter Letzt wird eine Modifikation des Confinement-Mechanismus, der sogenannte "Slingshot-Effekt", präsentiert. Er beschreibt Monopole, welche mit einer Wand kollidieren, welche die Coulomb-Phase von einer Confinement-Phase trennt. Sobald ein Monopol die Confinement-Phase betritt, erzeugt dieses einen kosmische String, welche es mit der Wand verbindet. Die numerischen Ergebnisse zur Dynamik des Slingshot-Mechanismus werden präsentiert. Zudem werden Anwendungen in anderen Feldern wie QCD-Confinement oder D-Branen-Physik diskutiert. Außerdem kann der im frühen Universum relevante Slingshot-Effekt beobachtbare Signale in Form von Gravitationswellen, primordialen schwarzen Löchern und dunkler Materie erzeugen. Diese Arbeit bietet erste Abschätzungen für die Grenzwerte dieser Beobachtungsgrößen.

• Item Type: Theses (Dissertation, LMU Munich)
• Subjects: 500 Natural sciences and mathematics; 500 Natural sciences and mathematics > 530 Physics
• Faculties: Faculty of Physics
• Language: English
• Date of oral examination: 2. June 2026
• 1. Referee: Dvali, Gia
• Signature of the printed copy: 0001/UMC 32027