Traces of gravity
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Date
2025
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Bridging scales from cosmological observables to neutrino oscillations
Abstract
The guiding idea of this thesis is to investigate how subtle traces of gravity manifest themselves across different scales. First, we examine whether the Cohen, Kaplan and Nelson (CKN) bound can form the basis of a consistent cosmological model and whether such a model is favored by observational data, in particular the recent baryonic acoustic oscillation measurements from the Dark Energy Spectroscopic Instrument. Taking into
account additional late-universe measurements, there is a mild preference for the (𝜈)CKN model over the standard 𝛬CDM scenario with cold dark matter and a cosmological constant. However, once weak lensing and cosmological microwave background data are included and the early-time dynamics are accounted for, the resulting bounds on the model parameter 𝜈 restrict the (𝜈)CKN model to a regime in which the (𝜈)CKN framework is observationally indistinguishable from 𝛬CDM. Second, we develop an internal wave packet formalism for neutrino oscillations in weakly curved spacetimes. Gravitational corrections appear as phase modifications, but these effects lie far beyond current experimental sensitivity. Importantly, if deviations from expected oscillation patterns are observed, classical gravity can be ruled out as their source, thereby pointing to new physics beyond the Standard Model, such as quantum gravity. Finally, we employ the open quantum system framework to model Quantum Gravity (QG)-induced decoherence of high-energy neutrinos and perform a sensitivity analysis using IceCube data. Using current experimental data we also derive bounds on the damping parameter 𝛾0 for different energy scalings and obtain the first constraints for scenarios involving additional dark fermions.
Die zentrale Idee dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, wie sich die subtilen Spuren der Gravitation auf verschiedenen Skalen bemerkbar machen. Zunächst prüfen wir, ob die durch Gravitation motivierte Cohen, Kaplan und Nelson (CKN)-Grenze ein Fundament für ein konsistentes kosmologisches Modell bilden kann und ob dieses gegenüber 𝛬CDM durch Beobachtungsdaten bevorzugt wird, insbesondere durch die aktuellen Messungen der baryonischen akustischen Oszillationen des Dark Energy Spectroscopic Instrument. Unter Einbeziehung zusätzlicher Messungen des späten Universums ergibt sich eine leichte Präferenz für das (𝜈)CKN-Modell gegenüber 𝛬CDM. Werden jedoch Daten aus schwacher Gravitationslinsenwirkung und vom kosmischen Mikrowellenhintergrund berücksichtigt und die Dynamik zur frühen Zeit einbezogen, so wird das Modell so stark beschränkt, dass es nicht mehr von 𝛬CDM unterscheidbar ist. Im zweiten Teil entwickeln wir einen internen Wellenpaket-Formalismus für Neutrinooszillationen in schwach gekrümmten Raumzeiten. Gravitative Korrekturen treten als Phasenmodifikationen auf, liegen jedoch weit außerhalb aktueller experimenteller Sensitivität. Sollten Abweichungen vom erwarteten Oszillationsmuster beobachtet werden, können klassische Gravitationseffekte als Ursache mit hoher Sicherheit ausgeschlossen werden. Die Erklärung müsste dann in neuer Physik wie der Quantengravitation liegen. Abschließend nutzen wir den Formalismus offener Quantensysteme, um quantengravitativ induzierte Dekohärenz hochenergetischer Neutrinos zu modellieren, und führen eine Sensitivitätsanalyse mit IceCube-Daten durch. Dabei leiten wir Schranken für den Dämpfungsparameter 𝛾0 in verschiedenen Energieskalierungen ab und gewinnen erstmals auch Einschränkungen für Szenarien mit zusätzlichen dunklen Fermionen.
Die zentrale Idee dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, wie sich die subtilen Spuren der Gravitation auf verschiedenen Skalen bemerkbar machen. Zunächst prüfen wir, ob die durch Gravitation motivierte Cohen, Kaplan und Nelson (CKN)-Grenze ein Fundament für ein konsistentes kosmologisches Modell bilden kann und ob dieses gegenüber 𝛬CDM durch Beobachtungsdaten bevorzugt wird, insbesondere durch die aktuellen Messungen der baryonischen akustischen Oszillationen des Dark Energy Spectroscopic Instrument. Unter Einbeziehung zusätzlicher Messungen des späten Universums ergibt sich eine leichte Präferenz für das (𝜈)CKN-Modell gegenüber 𝛬CDM. Werden jedoch Daten aus schwacher Gravitationslinsenwirkung und vom kosmischen Mikrowellenhintergrund berücksichtigt und die Dynamik zur frühen Zeit einbezogen, so wird das Modell so stark beschränkt, dass es nicht mehr von 𝛬CDM unterscheidbar ist. Im zweiten Teil entwickeln wir einen internen Wellenpaket-Formalismus für Neutrinooszillationen in schwach gekrümmten Raumzeiten. Gravitative Korrekturen treten als Phasenmodifikationen auf, liegen jedoch weit außerhalb aktueller experimenteller Sensitivität. Sollten Abweichungen vom erwarteten Oszillationsmuster beobachtet werden, können klassische Gravitationseffekte als Ursache mit hoher Sicherheit ausgeschlossen werden. Die Erklärung müsste dann in neuer Physik wie der Quantengravitation liegen. Abschließend nutzen wir den Formalismus offener Quantensysteme, um quantengravitativ induzierte Dekohärenz hochenergetischer Neutrinos zu modellieren, und führen eine Sensitivitätsanalyse mit IceCube-Daten durch. Dabei leiten wir Schranken für den Dämpfungsparameter 𝛾0 in verschiedenen Energieskalierungen ab und gewinnen erstmals auch Einschränkungen für Szenarien mit zusätzlichen dunklen Fermionen.
Description
Table of contents
Keywords
Gravitation, Kosmologie, Neutrinooszillation