On the Longevity, Quantum Decay and the role of Oscillons in Dark Matter

Abstract

En aquesta tesi estudiem diverses propietats i aplicacions dels oscil·lons, estats lligats localitzats semiclàssics fets d’un nombre gran de bosons i que apareixen en teories senzilles amb interaccions atractives i que son sorprenentment longeves. Han sigut un tema d’interès recent a la física d’altes energies degut a les seves aplicacions en inflació, matèria fosca i física de partícules. Les contribucions principals d’aquesta tesi son les següents: (i) Un avenç en la comprensió dels mecanismes físics que permeten els oscil·lons ser tant longeus, (ii) L’impacte que aquests oscil·lons de tant llarga vida tenen en models de matèria fosca ultralleugera, la qual cosa s’havia ignorat fins ara, i (iii) Un càlcul de la radiació quàntica emesa pels oscil·lons usant un recent mètode que permet fer un tractament complet de la contrarreacció. A un nivell més tècnic i relacionat amb (i), un nou mètode numèric s’ha desenvolupat pels oscil·lons de tant extrema longevitat que permet simul·lar-los en escales de temps fora de l’abast de cualquier otro método. El temps de vida dels oscil·lons depèn significativament del model on estiguin, i en el context d’(i) i (ii) donem evidència numèrica sobre models amb oscil·lons que viuen més de 10^9 cicles. Els oscil·lons composats d’escalars ultralleugers poden decaure al voltant o després de l’igualtat matèria-radiació, podent actuar així com a llavors per la posterior formació d’estructura. En alguns casos, la seva vida és suficientment llarga per sobreviure fins avui, i aquests podrien tenir un rol significant dins la matèria fosca. Notablement, la riquesa de les seves propietats prové de mecanismes físics senzills, la qual cosa els fa objectes molt interessants d’estudiar.

En esta tesis estudiamos diversas propiedades y aplicaciones de los oscilones, estados ligados localizados semiclásicos hechos de un número grande de bosones y que aparecen en teorías sencillas con interacciones atractivas y que son sorprendentemente longevos. Han sido un tema de interés reciente en la física de altas energías debido a sus aplicaciones en inflación, materia oscura y física de partículas. Las contribuciones principales de esta tesis son las siguientes: (i) Un avance en la comprensión de los mecanismos físicos que permiten a los oscilones ser tan longevos, (ii) El impacto que estos oscilones de tan larga vida tienen en modelos de materia oscura ultraligera, ignorado hasta ahora, y (iii) Un cálculo de la radiación cuántica emitida por los oscilones usando un reciente método que permite hacer un tratamiento completo de la contrarreacción. A un nivel más técnico y relacionado con (i), un nuevo método numérico ha sido desarrollado para los oscilones de tan extrema longevidad que permite simularlos en escalas de tiempo inaccesibles a cualquier otro método. El tiempo de vida de los oscilones depende significativamente del modelo donde estén, y en el contexto de (i) y (ii) damos evidencia numérica sobre modelos con oscilones que viven más de 10^9 ciclos. Los oscilones compuestos de escalares ultraligeros pueden decaer alrededor o después de la igualdad materia-radiación, pudiendo actuar así como semillas para la posterior formación de estructura. En algunos casos, su vida es lo suficientemente larga como para sobrevivir hasta hoy, y estos pueden tener un rol significante dentro de la materia oscura. Notablemente, la riqueza de sus propiedades proviene de mecanismos físicos sencillos, haciéndolos objetos muy interesantes de estudiar.

In this thesis we study several properties and applications of oscillons, localized semi-classical bound states of large numbers of bosons that appear in simple theories with attractive interactions and that are surprisingly long-lived. They have been a topic of recent interest in high energy physics due to their rather broad applications in inflation, dark matter and particle physics. The main contributions in this thesis are the following: (i) An advancement in our understanding behind the mechanisms that allow oscillons to be so remarkably long-lived, (ii) The impact that such long-lived oscillons have in dark matter models of ultra-light axion-like particles, which had been ignored before, and (iii) A calculation of the quantum radiation emmitted by oscillons using a recent method that allows to have a complete treatment of backreaction. At the more technical level and related to (i), a novel numerical method has been developed for oscillons with extreme longevity that allows to simulate them on otherwise unreachable timescales. The lifetime of oscillons is a significantly model-dependent quantity, and in the context of (i) and (ii) we provide numerical evidence for models with oscillons with lifetimes as large as 10^9 cycles, and even longer. Oscillons composed of ultra-light scalars can decay around or after matter-radiation equality and can thus act as early seeds for structure formation. In some cases, their lifetime is large enough for them to survive until today, in which case they can play a significant role in dark matter. Remarkably, the richness of their properties arise from simple physical mechanisms, which make them very interesting objects to study on their own.