Eichfeldproduktion während Inflation: Theorie und Phänomenologie

• Antragsteller: Dr. Oleksandr Sobol
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 565969529

Kosmische Inflation, das Stadium einer beschleunigten Expansion des Universums vor dem heißen Urknall, kann als natürlicher Prozess für die Erzeugung verschiedener Teilchen und Felder im frühen Universum angesehen werden. Das vorgeschlagene Projekt befasst sich mit einer Reihe offener Fragen der Eichfeldproduktion während der inflationären Phase und berührt sowohl die theoretischen als auch die phänomenologischen Aspekte dieses Szenarios. Auf der theoretischen Seite werden wir das Problem ultravioletter Divergenzen in physikalischen Observablen aufgreifen. Unser Ziel ist es konventionelle quantenfeldtheoretische Ansätze anzuwenden, um diese Divergenzen zu regularisieren und die physikalischen Observablen zu renormieren, sodass Eichinvarianz und kovariante Energieerhaltung in einem expandierenden Universum gelten. Außerdem werden wir die Details des Übergangs zwischen dem quantenmechanischen und dem klassischen Regime aufzeigen, den die Eichfeldmoden beim Überschreiten des Horizonts während der Inflation durchlaufen. Dies wird durch die Einführung des Kriteriums der „Quantenhaftigkeit“ für die Eichfeldmoden und die Untersuchung ihrer zeitlichen Entwicklung während der Inflation erreicht. Der phänomenologische Teil dieses Vorschlags bezieht sich auf drei Aspekte. Der Erste bezieht sich auf das Regime der starken Eichfeldrückkopplung während Inflation. Hierfür führen wir, zum ersten Mal in der Literatur, ein klares und physikalisch motiviertes Kriterium für ihr Auftreten ein. Des Weiteren untersuchen wir die Möglichkeit der Rückkopplung unter Berücksichtigung der Schwinger-Paarproduktion. Der zweite Aspekt bezieht sich auf verschiedene beobachtbare Konsequenzen der durch Inflation erzeugten Eichfelder. Insbesondere werden wir die Erzeugung primordialer skalarer Störungen betrachten, die durch die Anwesenheit von Eichfeldern während der Inflation induziert werden. Nach Ende der Inflation ergründen wir die Entwicklung dieser skalaren Störungen und schließlich ihre Auswirkungen auf das Anisotropiespektrum des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Außerdem werden wir die Produktion von vektorieller dunkler Materie, z.B. dunkler Photonen, studieren, die über eine kinetische Wechselwirkung mit den Eichfeldern des Standardmodells interagieren können. Zu diesem Zweck werden wir eine Version des Gradienten-Expansions-Formalismus entwickeln, welche mehrere Eichfelder zulässt. Mit Hilfe dieses mathematischen Apparats können wir für eine Vielzahl an Modellparametern die resultierende Dunkle-Materie-Dichte berechnen und die Stärke des intergalaktischen Magnetfelds bestimmen. Drittens werden wir den Prozess der Produktion von Schwinger-Paaren durch starke Eichfelder während der Inflation genauer untersuchen, um dessen kinetische Beschreibung mit bestehenden Ansätzen zur Eichfeldproduktion zu kombinieren. Nur im Rahmen dieses kinetischen Ansatzes kann man die zeitliche Nichtlokalität des Paarbildungsprozesses angemessen berücksichtigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen