Primordial Perturbations in the Mixed Inflaton-Curvaton Model with Fast-Roll Inflation

The phase of accelerating expansion of the early universe is called cosmological inflation. It is believed that the acceleration was driven by a scalar field called the inflaton, which in the simplest inflationary models was slowly rolling down its potential (slow-roll inflation). As an extension of these simple models, in this work we study a model in which the rolling of the inflaton field was fast (fast-roll inflation). From the inflationary phase we can detect density fluctuations which are usually thought to be created from quantum fluctuations of the inflaton field. In the case of the fast-rolling inflaton field, the evolution of the perturbations may differ significantly from the simpler slow-roll models. In addition to the inflaton, there might have also been other quantum fields in the early universe acting on the perturbation evolution. In this work, we study a case in which the perturbations are partly created from the inflaton field fluctuations and partly from another scalar field named the curvaton. This kind of scenario is called the mixed model. In the investigation of the early universe, it is essential to be able to estimate to what extent the observed perturbations tell us directly of the inflaton dynamics – and not of other phenomena. From the inflationary model-building point of view, freeing the inflaton from often somewhat unnatural observational constraints gives us new possibilities to develop more plausible models of inflation. In this thesis, we introduce briefly the simplest inflation and curvaton models and study analytically the perturbation evolution in the mixed model and fast-roll inflation. The research part of the thesis contains a numerical investigation of the perturbation evolution, as well as the inflaton and curvaton dynamics, in these models.Varhaisen maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen ajanjaksoa kutsutaan kosmologiseksi inflaatioksi. Uskotaan, että tätä kiihtyvää laajenemista ajoi inflatoniksi kutsuttu skalaarikenttä, joka yksinkertaisimmissa malleissa ‘vieri’ hitaasti (slow-roll) potentiaalissaan. Yksinkertaisen mallin laajennoksena tarkastelemme käsilläolevassa työssä inlflaatiota, josta vastaavan kentän vieriminen sen sijaan on nopeaa (fast-roll). Inflaatio jätti jälkeensä tiheysvaihteluita, perturbaatioita, joiden tavallisesti ajatellaan syntyneen inflatonikentän kvanttifluktuaatioista. Nopeasti vierivän inflatonikentän tapauksessa näiden perturbaatioiden kehitys saattaa poiketa huomattavasti yksinkertaisempien mallien perturbaatioevoluutiosta. Perturbaatioiden kehitykseen saattoivat vaikuttaa inflatonin lisäksi myös muut varhaisen maailmankaikkeuden kvanttikentät. Tässä työssä tarkastelemme tilannetta, jossa osa perturbaatioista on peräisin inflatonikentän fluktuaatioista ja osa kurvatoniksi kutsutusta skalaarikentästä. Tällaista mallia kutsutaan sekoitusmalliksi (mixed model). Varhaisen maailmankaikkeuden tutkimuksen kannalta on oleellista pystyä arvioimaan, kuinka suuri osa havaittavista perturbaatioista antaa meille tietoa suoraan inlatonin dynamiikasta ja kuinka suuri osa taas muista ilmiöistä. Inflaatiomallien muotoilemisen kannalta inflatonin vapauttaminen havaintojen antamista usein hieman epäluonnollisista rajoitteista antaa uusia mahdollisuuksia kehittää entistä uskottavampia malleja. Tutkielmassa esittelemme lyhyesti niin tavallisen inflaatio- kuin kurvatonimallinkin sekä tarkastelemme analyyttisesti perturbaatioiden kehitystä sekoitusmallissa sekä nopean vierimisen inflaatiossa. Työn tutkimuksellinen osuus koostuu perturbaatioevoluution sekä inflatoni- ja kurvatonidynamiikan numeerisesta tarkastelusta näissä erikoistapauksissa