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Nonperturbative dynamics in the early universe: from axion-like particles to dark matter and condensates

Chatrchyan, Aleksandr

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Abstract

Scalar fields play an important role in cosmology. They can be responsible for cosmic inflation in the very early universe, as well as are among well-motivated dark matter (DM) candidates. The aim of this dissertation is to contribute to a better understanding of the dynamics of such fields in the nonperturbative regime.

Motivated by cosmological scenarios, we consider coherent oscillations of a scalar field in potentials that are summed from periodic and monomial terms, which have recently attracted much attention in the context of axion-like particles (ALP). We investigate the resonant amplification of quantum fluctuations, as well as the subsequent nonlinear dynamics after the fragmentation of the field.

Our studies are extended to the nonthermal production of ALP DM. It is found that the process of fragmentation imprints strong overdensities of DM on small scales, as well as can produce a stochastic gravitational wave background, potentially within reach of future detectors.

Finally, we investigate the role of experiments with ultracold atoms for the quantum simulation of nonperturbative dynamics and describe how, by means of a modulation of the interatomic interaction strength, such Bose gases can go through the characteristic stages of the dynamics of relativistic systems in the early universe.

Translation of abstract (German)

Skalare Felder spielen eine wichtige Rolle in der Kosmologie. Sie können für die kosmische Inflation in der Frühzeit des Universums verantwortlich sein und stellen ein wohlbegründetes Modell zur Erklärung Dunkler Materie zur Verfügung. Ziel dieser Arbeit ist ein Beitrag zum besseren Verständnis der Dynamik solcher Felder im nicht-perturbativen Regime.

Motiviert durch kosmologische Szenarien betrachten wir kohärente Oszillationen eines Skalarfeldes in Potentialen, die durch eine Summe periodischer und monomischer Terme gegeben sind und die unlängst viel Aufmerksamkeit im Kontext von Axionen-ähnlichen Teilchen generiert haben. Wir untersuchen die resonante Verstärkung von Quantenfluktuationen sowie die anschließende Fragmentierung des Feldes.

Weiterhin studieren wir die nicht-thermische Produktion von Dunkler Materie aufgebaut aus Axionen-ähnlichen Teilchen. Zentrales Ergebnis ist, dass der Prozess der Fragmentierung übermäßige Dichten Dunkler Materie auf kleinen Skalen hervorruft und einen stochastischen Gravitationswellen-Hintergrund erzeugen kann möglicherweise messbar durch künftige Detektoren.

Zum Schluss untersuchen wir die Rolle von Experimenten mit ultrakalten Atomen zur Quantensimulation der nicht-perturbativen Dynamik und beschreiben, wie durch Modulation der interatomaren Wechselwirkungsstärke solch Bose-Gase die charakteristischen Regime der Dynamik relativistischer Systeme im frühen Universum durchlaufen können.

Document type: Dissertation
Supervisor: Berges, Prof. Dr. Jürgen
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 21 July 2020
Date Deposited: 11 Aug 2020 08:14
Date: 2020
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
DDC-classification: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
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