Non-conventional cosmologies with torsion in the early universe and the dark sector

Abstract

In this thesis, we explore the convergences of quantum gravity, early-time Cosmology and black hole physics, primarily concerned with the rôle of axion-like particles and gravitational waves. The thesis is organized into two main parts, bridged by the effective-field-theory treatment of General Relativity and the quantization of weak gravitational perturbations, alongside the presence of axion-like particles. In the first part, we are concerned with the inflationary evolution of the primordial Universe, focusing on the Stringy Running Vacuum model. We propose a microscopic, string-inspired mechanism for Inflation to occur, driven by condensates of quantized primordial gravitational waves, in the framework of Chern-Simons modified gravity. Performing a dynamical system analysis to study the evolution of the cosmological equations, we demonstrate a model that naturally incoorporates the inflationary expansion and also provides a “graceful exit” mechanism, followed by the standard Big Bang evolution. The presence of imaginary parts in the calculation of the condensate indicates an instability of the inflationary vacuum, with a lifetime consistent with the dynamical exit from the accelerating evolution. In the second part, we shift our attention to local effects, investigating the phenomenon of black hole superradiance as a theoretical laboratory forquantum gravity effects. We propose a novel astrophysical mechanism for the generation of nonclassical (i.e. squeezed) states in the vicinity of rotating black holes. The superradiant instability leads to the formation of axionic (or axion like particles) condensates around the black hole, with macroscopic occupation numbers and very long life times. We transfer the phenomenon of the super radiantaxion-graviton interactions in the language of quantum optics. There, in the framework o fweak quantum gravity effects, we make use of two basic procedures of quantum optics; spontaneous parametric down conversion and spontaneous four wave mixing and explain how axions are converted into entangled graviton pairs. The very large occupation number of the axionic condensate combined with its longevity can lead to collective quantum states of the gravitational field, surpassing the Planck scale suppressions, potentially leading to signatures of quantum gravity effects within the reach of near-future detectors, while also contributing to dark matter phenomenology. Together, both parts of this thesis aim to provide a coherent framework in order to understand how collective quantum-gravity phenomena could resolve or improve our knowledge for long-standing challenges of cosmology and fundamental physics.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, εξετάζουμε τις συγκλίσεις μεταξύ της κβαντικής βαρύτητας, της αρχέγονης κοσμολογίας και της φυσικής που διέπουν τις μαύρες τρύπες, εστιάζοντας κυρίως στον ρόλο των αξιονίων (και αντίστοιχων σωματιδίων) και των βαρυτικών κυμάτων. Η διατριβή είναι οργανωμένη σε δύο βασικά μέρη, τα οποία συνδέονται μέσω της (ασθενούς) κβαντικής αντιμετώπισης της Γενικής Σχετικότητας και της κβάντωσης ασθενών βαρυτικών διαταραχών, παράλληλα με την παρουσία αξιονικών πεδίων. Στο πρώτο μέρος, ασχολούμαστε με την πληθωριστική περίοδο στο πρώιμο σύμπαν, δουλεύοντας πάνω σε μοντέλα “Τρεχούμενου Κενού”, εμπνευσμένα από τη θεωρία των χορδών. Προτείνουμε έναν μικροσκοπικό μηχανισμό, εμπνευσμένο από τη θεωρία των χορδών, μέσω του οποίου η πληθωριστική εξέλιξη εξηγείται λόγω της παρουσίας συμπυκνωμάτων κβαντικών (χειραλικών) βαρυτικών κυμάτων, στα πλαίσια της τροποποιημένης θεωρίας βαρύτητας Chern-Simons. Με τη βοήθεια του φορμαλισμού των δυναμικών συστημάτων στις κοσμολογικές εξισώσεις, παρουσιάζουμε ένα μοντέλο που ενσωματώνει την πληθωριστική εξέλιξη με έναν φυσικό τρόπο, διασφαλίζοντας επίσης έναν μηχανισμό εξόδου από αυτήν την πληθωριστική εξέλιξη, ώστε να επακολουθήσει η γνωστή εξέλιξη στις κοσμολογικές εποχές. Η ανάλυση έδειξε την παρουσία μιγαδικών (φανταστικών) μερών στον υπολογισμό του βαρυτικού συμπυκνώματος, αναδεικνύοντας τη μεταστάθεια του πληθωριστικού κενού, με έναν χρόνο ζωής που έρχεται σε συμφωνία με τα αποτελέσματα των δυναμικών αναλύσεων. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, μετατοπίζουμε την προσοχή μας σε τοπικά φαινόμενα, εξερευνώντας την “υπερακτινοβολία μαύρων τρυπών” ως ένα θεωρητικό εργαστήριο, ικανό να αναδείξει και να ενισχύσει πιθανά κβαντικά φαινόμενα της βαρύτητας. Προτείνουμε έναν καινοτόμο αστροφυσικό μηχανισμό για την παραγωγή μη-κλασικών(π.χ. συμπιεσμένων) κβαντικών συλλογικών καταστάσεων του βαρυτικού πεδίου, παρουσία περιστρεφόμενων μαύρων τρυπών. Η αστάθεια λόγω της υπερακτινοβολίας οδηγεί στη δημιουργία των λεγόμενων αξιονικών νεφών (ή αξιονικών συμπυκνωμάτων) στην περιοχή της μαύρης τρύπας, με εξαιρετικά μεγάλους, μακροσκοπικούς αριθμούς κατάληψης και μεγάλους χρόνους ζωής. Μεταφράζουμε τις αλληλεπιδράσεις αξιονίου-βαρυτικού πεδίου στη γλώσσα της κβαντικής οπτικής, όπου, στα πλαίσια της ασθενούς κβαντικής βαρύτητας, αξιοποιούμε γνωστά φαινόμενα της κβαντικής οπτικής σε μη γραμμικά μέσα με σκοπό να εξηγήσουμε τη δημιουργία συζευγμένων ζευγών από γκραβιτόνια σε αυτό το αστροφυσικό περιβάλλον. Οι μεγάλοι αριθμοί κατάληψης συνδυαστικά με τη μακροζωία των αξιονικών νεφών οδηγούν σε συλλογικές κβαντικές καταστάσεις για το βαρυτικό πεδίο, ικανές να καταπολεμήσουν την ασθενή φύση των κβαντικών φαινομένων στη βαρύτητα, με πιθανές πειραματικές προοπτικές σε μελλοντικούς ανιχνευτές, συνεισφέροντας ταυτοχρόνως στη φαινομενολογία για τη σκοτεινή ύλη. Συνολικά, και τα δύο μέρη της διατριβής αποσκοπούν στο να παρέχουν ένα περιβάλλον κατανόησης στο πώς τα συλλογικά φαινόμενα στην κβαντική βαρύτητα είναι ικανά να οδηγήσουν σε σημαντική θεωρητική και πειραματική εξέλιξη στην κοσμολογία και στη βασική φυσική.