German Title: Kosmologie mit stark gekoppelter Quintessenz

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Abstract

The cosmological constant problem motivates alternative approaches for explaining the observed accelerated expansion of the Universe. Quintessence models describe a dynamical dark energy component in terms of a scalar field, the cosmon; in contrast to the cosmological constant scenario, the predicted amount of present dark energy is, generically, comparable to that of matter. The simplest models lack, however, a natural explanation why the dark energy has started to dominate the energy budget of the Universe just around the present cosmic epoch. Growing neutrino quintessence, proposing a coupling between the cosmon and the neutrinos, is a potential solution to this coincidence problem. At the level of perturbations in the energy densities, this coupling mediates an attractive force between the neutrinos stronger than gravity. This has drastic consequences for quantitative analyses of the model. The standard technical repertoire of linear perturbation theory and Newtonian N-body simulations fails. Even the evolution of the Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker background depends on the nonlinear perturbations by virtue of a backreaction effect. We present a comprehensive method, accompanied with an improved physical understanding, for a quantitatively reliable investigation of the model and open the door to a systematic exploration of its parameter space and a confrontation with observational constraints.

Translation of abstract (German)

Das Problem der kosmologischen Konstante motiviert alternative Ansätze zur Erklärung der beobachteten beschleunigten Expansion des Universums. Quintessenz-Modelle beschreiben eine dynamische dunkle Energie mittels eines Skalarfelds, des Kosmons; im Gegensatz zum Szenario einer kosmologischen Konstante ist die erwartete gegenwärtige Menge dunkler Energie vergleichbar mit der Energiedichte der Materie. Den einfachsten Modellen fehlt jedoch eine natürliche Erklärung dafür, daß die dunkle Energie gerade in der gegenwärtigen Epoche begonnen hat, die Energiedichte des Universums zu dominieren. Eine Kopplung zwischen Kosmon und Neutrinos stellt eine mögliche Lösung dieses Koinzidenzproblems dar. Auf der Ebene von Störungen in den Energiedichten vermittelt diese Kopplung eine anziehende Kraft zwischen Neutrinos, deren Stärke diejenige der Gravitation übersteigt. Das impliziert drastische Konsequenzen für jedwede quantitative Untersuchung des Modells. Das methodische Standardrepertoire, namentlich lineare Störungstheorie und Newtonsche N-Körper-Simulationen, schlägt fehlt. Selbst die Expansion des Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-Hingergrunds hängt aufgrund eines Rückkopplungseffekts von nichtlinearen Störungen ab. Wir präsentieren eine umfassende Methode, begleitet von einem vertieften physikalischen Verständnis, zur quantitativen Beschreibung des Modells und eröffnen die Möglichkeit, den Parameterraum des Modells systematisch zu untersuchen und einen Vergleich mit Beobachtungen herzustellen.