Inflation with Gauss-Bonnet and Chern-Simons String-Inspired gravitational terms in the view of GW170817
Creators: name: Βενικούδης, Σταύρος Αργυρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2021
Subjects: Πληθωρισμός
Βαρυτικό κύμα 170817
Φαινομενολογία
Inflation
Gravitational Wave 170817
Phenomenology

description: In the context of this thesis, we investigated inflationary phenomenology in classical four dimensional Einstein's gravity with the existence of Gauss-Bonnet and Chern-Simons higher-curvature-corrections in the view of the Gravitational Wave 170817. It is proposed an alternative formalism for the analysis and the description of the infationary era of our Universe. All the involved physical quantities and their derivatives were expressed in terms of function of the scalar field namely, the inflaton. For all the models of our interest the equations of motion were extracted, the slow-roll or the constant-roll conditions were imposed and the string-corrections were neglected for simplicity. The dynamics of inflation was described utilizing the slow-roll indices and lastly we checked the validity of the models through the observational constraints. Based on this approach, it is proved that theories which involve Gauss-Bonnet and Chern-Simons string-inspired-corrections can lead to viable inflationary phenomenology compatible with the GW170817. More specifically, compatibility with the GW170817 in Einstein-Gauss-Bonnet theories can be achieved setting the constraint for the speed of the gravitational wave in natural units equal to unity, while the presence of the Chern-Simons parity violating term leads to an additional constraint for the theory in order to be consistent with GW170817. In particular, the Chern-Simons term leads to asymmetric generation and evolution of the two circular polarization states of gravitational wave. For Einstein-Gauss-Bonnet theories it is also examined the constant-roll scenario for several models of interest. We also made predictions for the non-Gaussianities of the models, since the constant-roll evolution is known to enhance non-Gaussianities. Furthermore, an alternative hypothesis we proposed was to examine the case of logarithmic-corrected Einstein-Gauss-Bonnet inflationary phenomenology for an almost linear Ricci scalar. As evinced, the models can also be compatible with the Planck data 2018 too. Lastly, it is proved that kinetically driven inflation can be achieved in Einstein-Chern-Simons gravity. We focused our study on inflationary phenomenology with exotic kinetic terms in the case of k-essence scalar field with a higher order and a linear kinetic term and in the case of Dirac-Born-Infeld field. We concluded that both theories predict that the primordial spectral tensor index is shifted to blue. Even though blue gravitational waves have yet to be observed, if detected, compatibility with the aforementioned theory can be achieved.
description: Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάσαμε τη φαινομενολογία της πληθωριστικής φάσης του αρχέγονου σύμπαντος, στο πλαίσιο της κλασσικής βαρύτητας του Einstein συμπεριλαμβάνοντας όρους Gauss-Bonnet και Chern-Simons που αποτελούν κβαντικές διορθώσεις ανώτερης τάξης λαμβάνοντας υπόψην το βαρυτικό κύμα 170817. Ως βασική ιδέα προτείνεται ένας εναλλακτικός φορμαλισμός για την ανάλυση και την περιγραφή της πληθωριστικής περιόδου του αρχέγονου σύμπαντος. Όλες οι εμπλεκόμενες φυσικές ποσότητες καθώς και οι παράγωγοι αυτών εκφράστηκαν ως συναρτήσεις του βαθμωτού πεδίου, δηλαδή του inflaton. Αρχικά, για τα μοντέλα που παρουσιάζονται εξάγαμε τις εξισώσεις κίνησης, επιβάλλαμε τις συνθήκες αργής ή σταθερής κύλισης και οι κβαντικές διορθώσεις θεωρήθηκαν αμελητέες για απλότητα. Αξιοποιώντας του δείκτες αργής κύλισης περιγράψαμε τη δυναμική του πληθωρισμού και τέλος ελέγξαμε την εγκυρότητα των εξεταζόμενων μοντέλων με βάση τους περιορισμούς από τις παρατηρήσεις. Βασιζόμενοι σε αυτήν την προσέγγιση αποδυκνύεται ότι μπορεί να υπάρξει το φαινόμενο του πληθωρισμού σε θεωρίες που περιλαμβάνουν ανώτερες κβαντικές διορθώσεις και μάλιστα είναι συμβατό με τις παρατηρήσεις από το βαρυτικό κύμα 170817. Πιο συγκεκριμένα η συμβατότητα των θεωριών Einstein-Gauss-Bonnet με το βαρυτικό κύμα 170817 μπορεί να επιτευχθεί θέτοντας σε φυσικές μονάδες την ταχύτητα του βαρυτικού κύματος ίση με τη μονάδα. Ταυτόχρονα, η παρουσία του όρου Chern-Simons οδηγεί σε έναν επιπλέον περιορισμό για να υπάρξει συμβατότητα με το βαρυτικό κύμα 170817. Συγκεκριμένα, ο όρος Chern-Simons επιβάλλει τη μη συμμετρική δημιουργία και εξέλιξη δύο κυκλικά πολομένων καταστάσεων του βαρυτικού κύματος. Επιπλέον, για τις θεωρίες Einstein-Gauss-Bonnet μελετήσαμε την περίπτωση σταθερής κύλισης για διάφορα μοντέλα και κάναμε προβλέψεις για τις non-Gaussianities που παράγονται. Στη συνέχεια εξετάσαμε τη φαινομενολογία του πληθωρισμού θεωρώντας μία λογαριθμική θεωρία βαρύτητας αντικαθιστώντας τη βαθμωτή ποσότητα Ricci. Αποδείξαμε λοιπόν ότι και σε αυτήν την περίπτωση τα μοντέλα ήταν συμβατά με τις παρατηρήσεις. Τέλος, μελετήσαμε μία εναλλακτική θεωρία για τον πληθωρισμό στο πλαίσιο της βαρύτητας Einstein-Chern-Simons. Πιο συγκεκριμένα, εξετάσαμε πληθωρισμό όπου κυριαρχεί ο κινητικός έναντι του βαθμωτού δυναμικού για τις περιπτώσεις των k-essence πεδίων καθώς και για τα πεδία Dirac-Born-Infeld. Το συμπέρασμα που προέκυψε είναι ότι και στις δύο περιπτώσεις βαθμωτών πεδίων ο τανυστικός φασματικός δείκτης είναι θετικός. Αν και τέτοιου είδους βαρυτικά κύματα δεν έχουν παρατηρηθεί μέχρι στιγμής, συμβατότητα με αυτήν τη θεωρία μπορεί να επιτευχθεί.