German Title: Phänomenologie massiver Spin-2-Felder

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Abstract

We derive and discuss the implications of massive spin-2 fields as possible extensions of the standard theory of gravity, general relativity, in the spirit of extension of the standard model of particle physics. We give a thorough introduction to the topic of massive gravity from the point of view of bi- or multi-metric extensions of general relativity, focussing on the bimetric case in the phenomenological considerations. Furthermore, known shortcomings and benefits of such models are discussed. From this discussion it is evident that the parameter regime of interest is mostly that of very small spin-2 masses, such that effects on galactic and extra-galactic length scales are expected. On these grounds, we investigate the dynamics of spiral galaxies in the form of rotation curves, from which we derive constraints on the model’s parameter space. Moreover, we discuss the modifications of gravitational lensing by galaxy clusters, which strongly constrain these parameters. We also highlight how these modifications could explain tentative anomalies in the observations of such systems. Finally, we make use of the recent detection and conformation of gravitational waves. If more than one spin-2 field is present, they are expected to mix dynamically in close analogy to the oscillation of neutrino flavours. This observation is confirmed quantitatively, and subsequently used to derive new constraints on the allowed masses and mixings of the two tensors. To this end, we employ both the available data as well as a future, hypothetical sample of many such signals and their distribution as a function of the cosmological redshift. We conclude our discussion with another critical contemplation of the current status and provide an outlook onto possible ultraviolet completions.

Translation of abstract (German)

Ziel dieser Arbeit ist es die Auswirkungen massiver Spin-2-Felder als Erweiterungen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu erkunden, angelehnt an das Vorgehen in der Teilchenphysik. Das Thema soll im Kontext sogenannter Bi- bzw. Multi-Metrik-Erweiterungen der Allgemeinen Relativitätstheorie eingeführt und detailliert besprochen werden, wobei die phänomenologische Diskussion auf den Fall zweier Tensorfelder beschränkt bleibt. Darüber hinaus wird diese Klasse von Erweiterungen der Allgemeinen Relativitätstheorie kritisch diskutiert, indem bekannte Vor- und Nachteile solcher Modelle gegenübergestellt werden. Aus dieser Diskussion folgt, dass der interessante Massenbereich jener mit besonders kleinen Massen ist, sodass Effekte auf galaktischen und extragalaktischen Längenskalen zu erwarten sind. Aus diesen Erwägungen heraus wird die Dynamik von Spiralgalaxien in Form von Rotationskurven untersucht und daraus folgende Schranken an den Parameterraum hergeleitet. Weiterhin diskutiert wird die veränderte Vorhersage des Gravitationslinseneffekts in Galaxienhaufen, welcher erhebliche Einschränkungen der Parameter mit sich bringt. Jedoch beobachtet man gleichzeitig, dass diese Modifikationen mögliche Anomalien solcher Systeme erklären können. Zuletzt werden die unlängst erstmals gemessenen Gravitationswellensignale herangezogen. In Gegenwart mehrerer Spin-2-Felder erwartet man, dass diese dynamisch mischen, ähnlich den Oszillationen mehrerer Neutrinogenerationen. Diese Beobachtung wird quantitativ bestätigt und im weiteren Verlauf dazu verwendet die erlaubten Massen und Mischungsparameter beider Spin-2-Felder einzuschränken. Zu diesem Zweck werden sowohl die aktuell verfügbaren Daten, sowie eine zukünftige, hypothetische Stichprobe vieler solcher Signale und ihre Verteilung als Funktion der kosmologischen Rotverschiebung herangezogen. Die Diskussion wird mit einer kritischen Betrachtung der Sachlage beendet, insbesondere im Hinblick auf mögliche Hochenergievervollständigungen.