Kurzfassung
Innerhalb der ersten Sekunde seiner Existenz befand sich unser Universum in einem hochenergetischen Zustand, dessen Energieskala von der Zeit primordialer Fluktuationen bis zur ,,Big-Bang” Nukleosynthese (BBN) bis zu 19 Dekaden überspannte und in dem typischerweise neue Physik, jenseits des Standardmodells (SM), involviert war. Aufgrund der Schwäche gravitativer Wechselwirkungen übermitteln Gravitationswellen (GW) primordialen Ursprungs Informationen über das Universum, die vom Zeitpunkt ihrer Produktion bis heute unverändert blieben. Sie ermöglichen Zugang zum frühen Universum und zu Teilchenphysik bei Energieskalen, welche mit anderen experimentellen Methoden unerreichbar sind. Die Teilchenphysik des Standardmodells, und jenseits davon, kann Gravitationswellen hervorbringen, die kosmologische Geschichte bestimmen, und damit ,,Smoking-Gun” Gravitationswellensignaturen erzeugen.
Der erste Teil dieser Arbeit beginnt damit, den Parameterraum primordialer GWs unter der Annahme des Standard-LambdaCDM Universums zu kartieren. Primäre Quellen können aus dem Standardmodell der Teilchenphysik und Kosmologie stammen (primordiale Fluktuationen und thermisches Plasma), aber auch aus Physik jenseits des Standardmodells (,,Preheating”, Phasenübergänge erster Ordnung und kosmische ,,Strings”). Fast die Hälfte des Parameterraum ist mit den Empfindlichkeiten heutiger sowie geplanter GW-Observatorien kompatibel. Wir diskutieren die Abhängigkeit der GW-Signale von den Parametern, welche die Quellen kontrollieren, und leiten daraus für jede Quelle eine Relation zwischen GW-Frequenz und der kosmischen Temperatur, zur Zeit als die GW produziert wurde, ab. Wir konzentrieren uns auf kosmische Strings, analysieren die Evolution ihres Netzwerkes und berechnen das Gravitationswellenspektrum im Detail. Das semi-analytische Modell erlaubt die Generalisierung der String-Evolution in verschiedenen, nicht-trivialen Konfigurationen, z.B. für meta-stabile Strings, globale Strings, und Strings, die sich in beliebigen Kosmologien entwickeln. Wir zeigen außerdem, dass kosmische Strings den aufregenden Hinweis auf einen stochastischen GW-Hintergrund, der von den ,Pulsar Timing Arrays’ beobachtet wurde, erklären können.
Teilchenphysik jenseits des Standardmodells kann die Entwicklung des jungen Universum dahingehend verändern, dass im typischerweise strahlungsdominierten Universum zeitweise andere kosmologische Epochen induziert werden. Wir listen fünf mögliche Schemen auf, welche von Materie-, über zweite Inflations-, zu ,,Kination”-Epochen reichen, und welche entweder direkt nach primordialer Inflation oder während der strahlungsdominierten Epoche nach dem Prozess der Wiederaufheizung (,,Reheating”) auftreten. Die resultierenden, nicht-standardmässigen Expansionsgeschichten hinterlassen Signaturen in stochastischen GW-Hintergründen. Eine Unterdrückung des Spektrums wird von Materie- und zweite Inflations-Epochen verursacht, wahrend eine ,,Kination”-Epoche das GW-Signal verstärkt. Mit den gegenwärtigen und zukünftigen Generationen von GW-Observatorien ist es möglich, die Expansionsgeschichte des Universums zu kartieren und die Parameterräume neuer Teilchenphysik zu erfassen.
Im zweiten Teil untersuchen wir die teilchenphysikalischen Realisierungen der zwischenzeitlichen Materie- und der ,,Kination”-Epochen. Der erste Fall kann durch die Produktion schwerer und instabiler Teilchen induziert werden, wie zum Beispiel Moduli, schwere skalare Teilchen, produziert durch gravitative Portale und Higgsportale, und schwere dunkle Photonen. Die GW-Experimente der nächsten Generation können die üblichen BBN-Limits an die Lebensdauer neuer Teilchen auf 10^(-16) sec senken, indem ein stufenförmiges Merkmal in GWs von kosmischen Strings detektiert wird. Eine zwischenzeitliche ,,Kination”-Epoche wird durch ein rotierendes Axion realisiert, welches wir im Detail analysieren. Wir finden, zum ersten Mal, die einzigartige Signatur eines GW-Maximums durch Axionphysik im frühen Universum, die insbesondere auf den kinetischen ,,Misalignment”-Mechanismus für axionische dunkle Materie anwendbar ist. Die Position des Maximums hängt von der Geschwindigkeit des Axions und der Zerfallskonstante ab. LISA, BBO, ET und CE sind empfindlich für eine solche Kination-Epoche bei MeV-EeV Skalen. Abschließend schlagen wir eine Brücke vom GW-Maximum durch ,,Kination” zu dunkler Materie und Baryogenese durch rotierende Axionen.
Our Universe - within its first second - evolved in a very high-energy stage, spanning at most 19 decades in energy scales from the time of primordial inflation to the epoch of Big Bang Nucleosynthesis (BBN) and typically involving new physics beyond the Standard Model (SM). Due to the weakness of gravitational interactions, gravitational waves (GW) from primordial sources convey information about the Universe that remains unaltered from their production time until today. They enable access to the early Universe and to particle physics at energy scales that are unreachable by other means of experiments. The particle physics of the SM and beyond can source GWs and determine the course of cosmic history; both imprint smoking-gun GW signatures. The first part of this thesis starts by charting the landscape of primordial GW, assuming the standard LambdaCDM Universe. Primary sources originate from the SMs of particle physics and cosmology (primordial inflation and thermal plasma) and beyond the SMs (preheating, first-order phase transitions, and cosmic strings). Almost half of the landscape is compatible within the sensitivities of the current and future-planned GW observatories. We discuss the dependence of GW signals on the parameters controlling the sources and derive, for each source, the relation between the GW frequency and the cosmic temperature when the GW is produced. Focusing on cosmic strings, we analyze their network evolution and calculate the GW spectrum in detail. The semi-analytic model allows the generalizations of string evolution in various non-trivial setups, e.g., metastable strings, global strings, and strings that evolve in arbitrary cosmology. We also show that cosmic strings can explain the exciting hint of stochastic GW background observed by the pulsar timing arrays. Particle physics beyond the SM can change the course of the early evolution of the Universe with respect to the standard radiation-dominated Universe by temporarily inducing different cosmological eras. We list five possible schemes, ranging from matter, secondary inflation, and kination eras and occurring either right after the primordial inflation or inside the radiation era after reheating. The resulting non-standard expansion histories leave signatures in primordial stochastic GW backgrounds. The spectral suppressions are caused by matter and secondary inflationary eras, while the kination era enhances the GW signal. With the present and future generations of GW observatories, it is possible to map the Universe's expansion history and chart the new particle-physics parameter spaces. In the second part, we consider the particle-physics realizations of the intermediate matter and kination eras. The former case can be induced by heavy and unstable particles, such as moduli, heavy scalars produced via gravitational and Higgs portals, and heavy dark photons. The next-generation GW experiments can remarkably extend the usual BBN constraint on the lifetime of new particles down to 10^(-16) sec by detecting the step-like feature in GW from cosmic strings. The intermediate kination era is realized by the rotating axion, which we analyze in great detail. We find for the first time a unique GW-peak signature of axion physics in the early Universe that applies in particular to the kinetic misalignment mechanism for axion dark matter. The peak position depends on the axion speed and decay constant. LISA, BBO, ET, and CE are sensitive to such kination era at MeV-EeV scales. Finally, we connect the kination peak to dark matter and baryogenesis from the rotating axions.