Dissipative effects in the early universe

Abstract

The work contained in this thesis aims to further develop the understanding of the role of inflation and dark matter in the early universe. Our framework is the study of dissipation in such context, a natural outcome of the presence interactions in the models describing the system. Therefore, a better comprehension of dissipative processes may help in building more realistic representations of the physics of the early universe. Firstly, we will concentrate on the effects of dissipation at the background level of warm inflation, the inflationary scenario where interactions of the inflaton with other degrees of freedom are described in terms of quantum field theory. Such description consistently incorporates dissipative effects during inflation. We will study the aftermath of including interactions in a class of inflationary models characterized by the existence of an inflection point in the inflationary potential. These potentials arise in a variety of contexts, such as supersymmetry or string theory, providing desirable connections to low-energy phenomenology. The inflection point result from the interplay of different terms contributing to the scalar potential, but it usually requires the fine-tunning of such terms. We will show that the situation can be alleviated in the context of warm inflation, due to the dissipation induced by the interactions of the inflaton with other degrees of freedom. Furthermore, we will analyse the dynamics of warm inflation in such a flat potential shape, and extract information regarding the field multiplicities required in the low momentum limit of the two stage (LOTS) realization of warm inflation. Then, we will follow a different line in the investigation of dissipative effects, and focus on the consequences of the self interactions of the light fields in the thermal bath of warm inflation. Such interactions preclude the bath from being in a perfect thermal equilibrium state, thus inducing viscous effects. In a FLRW background these effects are described by the bulk viscosity, which enhances radiation production and may help in realizing warm inflation. Nevertheless, it may also lead to the overproduction of light particles, such that the radiation bath becomes the dominant contribution to the total energy density and inflation is spoiled. Therefore, we will study the stability of the system with different hydrodynamic descriptions of the bulk viscosity, from the simplest to more realistic ones. Then, we will apply the results to the canonical $\lambda \phi^4$ model and analyse the enlargement of the parameter space compatible with warm inflation in the presence of bulk viscosity. Secondly, we will discuss the details of the calculation of the power spectrum in warm inflation and the region of applicability of its analytical approximation. We will show that the coupling between the equations for the perturbations of the inflaton and the radiation bath induces a growing mode in the power spectrum in the strong dissipation regimen, which renders the analytical approximation invalid. We will follow the line initiated of investigating the effect of self interaction in the radiation fluid. At the perturbation level of the FLRW metric both bulk and shear viscosities are required to describe the departures from thermal equilibrium. We will analyse the region of the parameter space where the perturbative dynamics are modified by the presence of viscosities, and whether they can control the effect of the growing mode in the power spectrum. Then, we will research the observational implications of warm inflation in the weak dissipation regimen, where there is no growing mode. At the time when we carried out this work, data from the Planck collaboration was made available, hence we could make use of it to show the effect of dissipation even in the weak regimen. As an example, we will consider the $\lambda \phi^4$ model, which is in tension with Planck data in the renormalizable single field models of inflation, and will show that the tension can be solved when embedding the model in the LOTS realization of warm inflation. Finally, we will explore dissipation in the reheating period subsequent to inflation. Dissipation plays the key role in the energy transfer from the inflaton to radiation bath that defines the reheating period, therefore it has been widely studied in the literature. We will the study a particular dissipation mechanism such that the inflaton field can play the role of a dark matter candidate. We will propose a configuration of interactions that will lead to a successful reheating period producing a universe dominated by radiation, while leaving a remnant of the inflaton field. The remnant will behave as an additional matter component in the universe, and we will find solutions such that the inflaton remnant is compatible the current bounds on dark matter. We will show that the mechanism is consistent with different inflationary potentials by analysing two canonical models of inflation. --------------------------------------------------------- Los trabajos que contiene esta tesis aspiran a contribuir al desarrollo de la comprensión del papel que juegan inflación y la materia oscura en el universo temprano. Nuestro marco de trabajo es el estudio de disipación en ese contexto, una consecuencia natural de la presencia de interacciones en los modelos que describen en sistema. Por lo tanto, una mejor intelección de los procesos disipativos puede ayudar a la construcción de representaciones más precisas de la física del universo temprano. Primero, nos centraremos en los efectos de disipación al nivel cero en teoría linear de perturbaciones de inflación templada, el escenario de inflación en el que las interacciones del inflatón con otros grados de libertad se describen en términos de teoría cuántica de campos. Esta descripción incorpora de forma consistente los efectos de disipación durante inflación. Estudiaremos las repercusiones de la inclusión de interacciones en una categoría de modelos de inflación caracterizada por la existencia de un punto de inflexión en el potencial inflacionario. Este tipo de potenciales aparece en contextos muy variados, como pueden ser supersimetría o teoría de cuerdas, por lo que generan conexiones muy interesantes con fenomenología a bajas energías. La aparición del punto de inflexión es debida a la combinación de distintos términos que contribuyen al potencial escalar, de modo que usualmente requiere un ajuste fino de esos términos. Mostraremos que esta problemática puede desaparecer en el contexto de inflación templada, debido a la disipación inducida por la interacción del inflatón con los demás grados de libertad. Además analizaremos las dinámicas de inflación templada en este tipo de potenciales tan planos y extraeremos información sobre las multiplicidades de los campos que son necesarias en el límite de bajo momento de la realización en dos etapas (LOTS) de inflación templada. Posteriormente, seguiremos una línea diferente en la investigación de los efectos disipativos y nos centraremos en las consecuencias de las autointeracciones de los campos ligeros en el baño térmico de inflación templada. Estas interacciones impiden que el baño térmico esté en un estado de equilibrio térmico, por lo que induce efectos viscosos. En en el nivel cero de un universo descrito por la métrica FLRW, estos efectos se describen en términos de viscosidad de volumen, que aumenta la producción de radiación y puede contribuir a inflación templada. Sin embargo, también puede conducir a una producción excesiva de partículas ligeras tal que el baño térmico se convierta en la contribución dominante a la densidad de energía total, lo que produciría el fin del periodo inflacionario. Por tanto, estudiaremos la estabilidad del sistema con diferentes decripciones hidrodinámicas de la viscosidad de volumen, desde las más simples hasta descripciones más realistas. Una vez hecho esto, aplicaremos los resultados al modelo canónico de inflación $\lambda\phi^4$ y analizaremos el incremento del espacio de parámetros compatible con inflación templada en presencia de la viscosidad de volumen. Posteriormente discutiremos los detalles del cálculo de espectro de potencias en inflación templada y la región en la que se puede aplicar su aproximación analítica. Mostraremos que el acoplo entre las ecuaciones para las perturbaciones del inflatón y el baño térmico induce un modo creciente del espectro de potencias en el régimen de disipación fuerte, lo que invalida la aproximación analítica en ese régimen. Continuaremos con la investigación del efecto de las autointeracciones en el fluido de radiación. A nivel de perturbaciones en la métrica FLRW tanto la viscosidad de volumen como la de cizaña aparecen en la descripción de las desviaciones del equilibrio térmico. Analizaremos la región del espacio de parámetros en la que la dinámica de las perturbaciones se modifica debido a la presencia de las perturbaciones y la posibilidad de controlar el efecto del modo creciente del espectro de potencias. Seguidamente tomaremos un enfoque distinto para tratar el problema del modo creciente. Investigaremos las implicaciones observacionales de inflación templada en el régimen de disipación débil, donde no se manifiesta el modo creciente. En el momento en el que realizamos este trabajo, se publicaron los datos de la colaboración Planck, de modo que pudimos utilizarlos para mostrar el efecto que tiene la presencia de disipación incluso en el régimen de disipación débil. Como ejemplo consideraremos el modelo $\lambda\phi^4$, que está en tensión con los datos de Planck en los modelos inflacionarios renormalizables con un solo campo y demostraremos que la tensión puede eliminarse al introducir el modelo en la realización LOTS de inflación templada. Finalmente exploraremos los efectos de disipación en el periodo de recalentamiento que sigue a inflación. La disipación juega un papel fundamental en la transferencia de energía del inflatón al baño de radiación que define el periodo de recalentamiento, de modo que ha sido estudiada muy extensamente en la literatura. Estudiaremos un mecanismo de disipación concreto que permite que el inflatón sea un candidato a materia oscura. Propondremos una configuración de las interacciones tal que conducirá un periodo de recalentamiento capaz de producir un universo dominado por la radiación, al mismo tiempo que un remanente del inflatón sobrevive al proceso. El remanente se comportará como una componente de materia adicional en el universo, así que buscaremos soluciones en las que este remanente es compatible con los límites actuales de materia oscura. Mostraremos que el mecanismo es consistente con diferentes modelos inflacionarios mediante el análisis de dos modelos canónicos de inflación.