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Non-linear structure formation in standard and non-standard cosmology

Führer, Florian

German Title: Nichtlineare Strukturentstehung in Standard- und Nichtstandardkosmologien

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Abstract

This thesis comprises research on two topics of cosmological non-linear structure formation. One part investigates the formation of neutrino lumps in the Dark Energy model Growing Neutrino Quintessence (GNQ). Therefor N-body simulations with relativistic particles and non-linear scalar field equations are required. The formation of lumps is caused by a coupling between the neutrinos and a scalar Quintessence field. The neutrino lumps induce backreaction effects, possibly invalidating GNQ as a Dark Energy model. We investigate if despite the backreaction effects a realistic cosmology is possible. For a constant coupling this is hard to realize, while we find a realistic cosmology for a varying coupling . GNQ can be tested with cosmology by detecting the gravitational potentials of the lumps. The other part investigates effective fluid models for ordinary structure formation of Dark Matter. These models aim at improving perturbative methods by averaging over small scales and taking the information on the non-perturbative dynamics on small scales from simulations. Thereby, a renormalization procedure ensures that physical quantities are independent of the arbitrary smoothing scale. We investigate consistency of the renormalization procedure with the Galilean Invariance of the theory.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit beinhaltet Forschung über zwei Themen aus dem Bereich der kosmologischen Strukturentstehung auf großen Skalen. Ein Teil untersucht die Bildung von Neutrinoklumpen in “Growing Neutrino Quintessence” (GNQ), einem Model für die Dunkle Energie. Hierfür werden N-body-Simulationen mit relativistischen Teilchen und nichtlinearen skalaren Feldgleichungen benötigt. Die Bildung von Klumpen wird von einer Kopplung zwischen den Neutrinos und einem skalarem Quintessenzfeld verursacht. Die Neutrinoklumpen erzeugen Rückwirkungseffekte, die möglicherweise GNQ als Model für die Dunkle Energie disqualifizieren. Wir untersuchen ob trotz der Rückwirkungseffekte eine realistische Kosmologie möglich ist. Für eine konstante Kopplung ist dies schwer zu realisiren, während wir für eine variierende Kopplung eine realistische Kosmologie finden. GNQ kann mithilfe von kosmologischen Beobachtungen über den Nachweises der Gravitationspotentiale der Klumpen getestet werden. Der andere Teil untersucht effektive Flüssigkeiten als Modelle für die gewöhnliche Strukturentstehung von Dunkler Materie. Diese Modelle zielen darauf ab Störungsmethoden zu verbessern, indem über kleine Skalen gemittelt wird und Informationen über die Nichtperturbative Dynamik auf kleinen Skalen aus Simulationen entnommen wird. Dabei garantiert eine Renormierungsprozedur, dass physikalische Größen unabhängig von der Mittelungsskala sind. Wir untersuchen die Konsistenz der Renomierungsprozedur mit der Galilei-Invarianz der Theorie.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Wetterich, Prof. Dr. Christof
Date of thesis defense: 27 October 2016
Date Deposited: 25 Nov 2016 12:11
Date: 2016
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Kosmologie, Sturkturentstehung, Dunkle Energie
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