Spektaattorikenttien aspekteja inflaation jälkeisessä resonanssi-hiukkastuotossa

Grounded in the increasingly accurate astronomical observations of the past few decades, the study of cosmology has produced a comprehensive account of the history of the universe. This account is contained in the Hot Big Bang cosmological model which describes the expansion of a hot and dense state to become the universe as we observe it today. While the Big Bang model has been extremely successful in being able to account for a wide array of cosmological data, it leaves unexplained the special initial conditions that are required in order to produce the universe we find ourselves in. Such initial conditions are, however, a natural consequence of a period of quasi-exponential expansion of the universe known as inflation. Such a period of expansion can be realized if the universe is dominated by a scalar field - the inflation - which is slowly rolling down the slope of its potential. Inflation also provides a natural mechanism for the production of primordial seeds of structure in the universe through the growth of the quantum fluctuations in the inflaton field to super-horizon scales. Together inflation and the subsequent Big Bang evolution form the back bone of modern cosmology. However, the transition between the inflationary epoch and the thermal state which characterizes the initial conditions of the Big Bang evolution is not well understood. This process - dubbed reheating - involves the decay of the inflaton field into the particles of the Standard Model of particle physics, and may be highly non-trivial, with non-perturbative resonant processes playing a major role. Spectator fields - light scalar fields which are subdominant during inflation - may also play an important role during this epoch. The aim of this thesis is to showcase aspects of non-perturbative decay of scalar fields after inflation, focusing in particular on the role of spectator fields. This includes the modulation of the non-perturbative decay of the inflaton by a spectator field, the non-perturbative decay of a spectator into the Standard Model Higgs, as well as the non-perturbative decay of the Higgs field itself.Nojaten viime vuosikymmenien tähtitieteellisiin havaintoihin, kosmologian tutkimus on tuottanut kattavan kuvauksen maailmankaikkeuden historiasta. Tämä kuvaus on kiteytetty kuuman alkuräjähdyksen mallissa, joka kuvaa maailmankaikkeuden laajenemista hyvin kuumasta ja tiheästä tilasta. Vaikka kuuman alkuräjähdyksen malli on ollut hyvin menestyksekäs ja on pystynyt selittämään suuren määrän kosmologisia havaintoja, se myös vaatii erityisiä alkuehtoja maailmankaikkeuden kehitykselle, joita on vaikea motivoida. Etenkin varhaisen maailmankaikkeuden olisi täytynyt olla hyvin laakea ja homogeeninen. Tällaiset alkuehdot ovat kuitenkin hyvin luonnollisia jos hyvin varhainen maailmankaikkeus koki kiihtyvän laajenemisen aikakauden. Tätä aikakautta nimitetään kosmologiseksi inflaatioksi ja inflaatioteoria on myöskin ollut menestyksekäs ja on tarjonnut paitsi selityksen näille alkuehdoille myös mekanismin rakenteiden synnylle. Yhdessä inflaatio ja sen jälkeinen alkuräjähdysmallin mukainen kehitys muodostavat kosmologian standardimallin. Kuitenkin, siirtyminen inflaatiosta alkuräjähdysmallin kuumaan alkutilaan ei ole hyvin ymmärretty. Tässä prosessissa, jota kutsutaan uudelleenlämmitykseksi, inflaation aiheuttama kenttä - inflatoni - hajoaa tavallisiksi hiukkasiksi, mikä voi tapahtua hyvin epätriviaalilla tavalla resonanssin kautta. Myös spektaattorikentät - kentät jotka ovat merkityksettömiä inflaation aikana - voivat olla tärkeitä uudelleenlämmityksen aikana. Tässä työssä on tutkittu skalaarikenttien hajoamista inflaation jälkeen keskittyen erityisesti spektaattorikenttien rooliin resonanssihajoamisessa. Spektaattorikentät voivat tuottaa kaarevuusperturbaatioita mikäli ne moduloivat inflatonin hajoamista. Tämä on erityisen kiivasta jos hajoaminen tapahtuu resonanssin kautta. Toisaalta resonanssi voi esiintyä myös itse spektaattorikenttien hajoamisessa, jolloin inlfatonin hajoaminen ja tämän tuottama lämpökylpy ratkaisevat hajoavatko spektaattorikentät vai ei. Tärkeä esimerkki spektaattorikentästä on Higgsin kenttä, joka on merkitsevässä roolissa tässä työssä. Higgsin kentän hajoamistuotteet vuorovaikuttavat keskenään heikon vuorovaikutuksen kautta, mikä myös vaikuttaa resonanssin kulkuun

Quintessential inflation and nonlinear effects of the tachyonic trap mechanism

With the help of the tachyonic trapping mechanism one can potentially solve a number of problems affecting quintessential inflation models. In this mechanism we introduce a trapping field with a spontaneous symmetry breaking potential. When the quintessential inflaton passes the critical point, a sudden burst of particle production is able to reheat the Universe and trap the inflaton away from the minimum of its potential. However, self-interactions of the trapping field suppress particle production and reduce the efficiency of this process. We develop a method to compute the magnitude of the suppression and explore the parameter space in which the mechanism can be applied effectivel

Higgs-Inflaton Mixing and Vacuum Stability

The quartic and trilinear Higgs field couplings to an additional real scalar are renormalizable, gauge and Lorentz invariant. Thus, on general grounds, one expects such couplings between the Higgs and an inflaton in quantum field theory. We find that the often omitted trilinear interaction is only weakly constrained by cosmology and could stabilize the electroweak vacuum by increasing the Higgs self coupling. The consequent Higgs-inflaton mixing can be as large as order one making a direct inflaton search possible at the LHC. (C) 2018 The Authors. Published by Elsevier B.V. This is an open access article under the CC BY license.Peer reviewe

Constraints on neutrino density and velocity isocurvature modes from WMAP-9 data

Peer reviewe