German Title: Ein Modell mit zwei inflationären Phasen

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Abstract

In this work a scenario with two subsequent periods of inflationary expansion in the very early Universe is examined. The model is based on a potential motivated by symmetries being found in field theory at high energy. For various parameter sets of the potential the spectra of scalar and tensor perturbations that are expected to originate from this scenario are calculated. Also the beginning of the reheating epoch connecting the second inflation with thermal equilibrium is studied. Both is done in comparison with standard potentials leading to accelerated cosmic expansion. Perturbations with wavelengths leaving the horizon around the transition between the two inflations are special: It is demonstrated that the power spectrum at such scales deviates significantly from expectations based on measurements of the cosmic microwave background (CMB). This supports the conclusion that parameters for which this part of the spectrum leaves observable traces in the CMB must be excluded. Parameters entailing a very efficient second inflation correspond to standard small-field inflation and can meet observational constraints. Particular attention is paid to the case where the second inflation leads solely to a shift of the observable spectrum from the first inflation. A viable scenario requires this shift to be small.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit wird ein Szenario mit zwei aufeinanderfolgenden Phasen inflationärer Expansion im sehr frühen Universum untersucht. Das Potential zu diesem Modell stützt sich auf Symmetrien, die für Feldtheorien bei hoher Energie relevant sind. Für verschiedene das Potential bestimmende Parametersätze werden die Spektren skalarer und tensorieller Störungen berechnet, die durch die Inflationen in diesem Modell entstehen. Außerdem wird der Beginn des Reheating untersucht, das den Übergang von der Inflation zur anschließenden Big-Bang-Expansion im thermischen Gleichgewicht bildet. Die Ergebnisse werden jeweils mit Rechnungen zu den klassischen inflationären Potentialen verglichen. Störungen auf Längenskalen, die um den Übergang zwischen den zwei Inflationen herum den Horizont verlassen, zeigen ungewöhnliches Verhalten: Die Ergebnisse zeigen, dass das Leistungsspektrum für diese Wellenlängen signifikant von den Erwartungen abweicht, die sich aus Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrundes (CMB) ergeben. Dies lässt den Schluss zu, dass Parametersätze, für die dieser Teil des Spektrums im CMB beobachtbar ist, ausgeschlossen werden müssen. Die Ergebnisse aus Parametersätzen, die zu sehr starker Expansion während der zweiten Inflation führen, liegen teils im durch die Beobachtungen erlaubten Bereich. Die Fälle, bei denen die zweite Inflation ausschließlich zu einer Verschiebung des beobachtbaren Spektrums aus der ersten Inflation führt, werden eingehender untersucht. Die Beobachtungen fordern eine möglichst kleine Verschiebung.