Beyond the Standard Model of particle physics and cosmological standard model: Quantum Gravity Perspective

W tej pracy omawiamy wpływ grawitacji kwantowej na fizykę cząstek elementarnych i kosmologię. Połączenie grawitacji kwantowej z modelami fizyki cząstek elementarnych i kosmologicznymi skutkuje nietrywialnymi warunkami na niskoenergetyczne teorie i teorie kwantowo grawitacyjne. Teorie Wielkiej Unifikacji połączone z grawitacją kwantową, muszą spełnić zaproponowanych przez nas zestaw warunków, które ograniczają przestrzeń parametrów wynikającą z tego połączenia. Jak pokazaliśmy na przykładzie najgłębsze minima albo nie prowadzą do Modelu Standardowego, albo wymagają dużych poprawek progowych. Dla modeli o wielu możliwych wartościach oczekiwanych próżni zbadaliśmy ewolucję ścian domenowych w zależności od warunków początkowych i kształtu potencjału. Następnie analizujemy teorie wielkiej unifikacji w połączeniu z asymptotycznie bezpieczną grawitacją. Jak pokazujemy potencjał teorii staje się niestabilny poniżej skali Plancka, co wskazuje na stabilność protonów. Z drugiej strony w Modelu Standardowym asymptotyczne bezpieczeństwo ogranicza masę bozonu Higgsa w Modelu Standardowym. Jak pokazujemy wartość ta wynosi mH ≈ 130 GeV, jest zatem wyższa od wartości eksperymentalnej. W pracy rozważamy przewidywania masy Higgsa w ramach fizyki poza Modelem Standardowym, w ramach asymptotycznego bezpieczeństwa. Wprowadzenie nowej grupy U(1) skutkuje poprawnym przewidywaniem masy Higgsa. Połączenie grawitacji z materią nakłada ograniczenia na siłę oddziaływania grawitacyjnego, tak zwane ograniczenie słabej grawitacji (WGB). W pracy pokazujemy, że to ograniczenie nie wpływa na liczbę cząstek wektorowych sprzężonych do grawitacji. Pokazujemy niezmienność cechowania otrzymanych wyników. W pracy zadajemy pytanie, czy zaproponowaną w oparciu o rozważania w teorii strun zasadę (nie)-wiecznej inflacji można wprowadzić w innych podejściach do grawitacji kwantowej. Jak pokazujemy w modelach asymptotycznie bezpiecznych istnienie punktu stałego spłaszcza potencjał, co sugeruje brak sprzeczności między wieczną inflacją a asymptotycznym bezpieczeństwem. Następnie omawiamy wnioski ze sformułowania grawitacji kwantowej w ramach całek po trajektoriach. Pokazujemy, że dla grawitacji Hořavy-Lifszyca w układach kosmologicznych kosmologie niepaskie i niejednorodne nie dają wkładu do euklidesowej całki po trajektoriach. Z drugiej strony udowadniamy, że grawitacja Hořavy-Lifszyca spełnia zasadę selekcji skończonego działania, która została zaproponowana jako rozwiązanie problemu osobliwości czarnych dziur w ramach całki po trajektoriach. W tekście omawiamy również różne problemy dotyczące sformułowania asymptotycznie bezpiecznej grawitacji, przedstawiamy przykłady asymptotycznego bezpieczeństwa oraz omawiamy możliwe związki między asymptotycznym bezpieczeństwem a teorią strun.

We study the quantum gravity imprint on particle physics and cosmological phenomena. We show that combining particle physics and cosmology with quantum gravity results in non-trivial conditions on the low energy theories and quantum gravity models. We discuss how the Grand Unified Theories can be UV-completed by quantum gravity at the Planck scale in a model-independent way. This results in a set of conditions that constrain the possible parameter space stemming from UV-completion by quantum gravity. We find that within the studied model the deepest minima are either non-Standard Model like or require large threshold corrections to realize the Standard Model as low energy theory. For models with multiple vacua, we study the domain walls' evolution depending on the initial conditions and shape of the potential. In the cosmological setting, we elaborate on the path integral formulation of quantum gravity. We show that for the Hořava-Lifszyc gravity, the non-flat and non-homogenous cosmologies do not contribute to the Euclidean path integral. On the other hand, we show that Hořava-Lifszyc gravity satisfies the finite-action selection principle, that has been proposed as a model independent solution of the black hole singularities. Our study of Grand Unified Theories within the asymptotically safe approach points out towards ``transplanckian'' breaking and hence proton stability under certain assumptions. On the other hand, in the Standard Model, the asymptotic safety constrains the Higgs mass to take the smallest value such that the electroweak vacuum is stable. Considering the current top quark mass measurements, this value is mH ≈ 130 GeV, five GeV above the experimental value. Here we consider the predictions of the Higgs mass in various Beyond Standard Model scenarios, where this prediction can be improved. As we show, the inclusion of new U(1) symmetry can potentially give the correct prediction for this mass. Then we discuss the Weak Gravity Bound in the Abelian vector field system, limiting the gravitational fluctuations' strength. We find that the bound does not restrict the number of vector species, unlike the scalar case. We investigate the gauge invariance of the results. The (no) eternal inflation principle has been put forward based on swampland considerations in string theory. The natural question arises whether similar conditions hold in other approaches to quantum gravity. We consider asymptotic safety models with and without gravity in the context of eternal inflation. The existence of UV fixed point generically flattens the potential, and our findings suggest no tension between eternal inflation and asymptotic safety in contradistinction to string theory. Within the text, we also discuss various caveats of the formulation of asymptotically safe gravity, provide specific examples for asymptotic safety in quantum mechanics and discuss the possible connections between asymptotic safety and string theory.