We discuss a large field excursion of axion-like fields and its cosmological implications. This thesis consists of two parts: The first part is devoted to discussions about the inflationary expansion of the universe, and the role of an axion-like field in large field inflation. We discuss difficulties for realizing large field inflation, and consider a possibility that a pseudo Nambu-Goldstone boson (PNGB), especially an axion-like field, is identified as an inflaton field. Even if we identify a PNGB as an inflaton, it is difficult to realize trans-Planckian field excursion because of radiative corrections to the inflaton potential. In this regard, we introduce several models that make use of multiple number of axions to realize trans-Planckian field range of the inflaton field. We also discuss an issue related to weak gravity conjecture. When requiring the weak gravity conjecture, the inflaton potential may contain small modulations. We discuss how these modulations modify the primordial curvature power spectrum and how they are constrained by the observational data. In the second part of the thesis, we extend the discussion. We investigate the cosmological evolution of an axion-like field after the end of inflation. We show that the evolution of the axion-like field produces gauge bosons to which the axion couples under certain conditions. We identify such conditions, and discuss how it can be applied to the cosmological relaxion scenario, which is recently proposed to solve the hierarchy problem in the Standard Model.
이 논문에서는 액시온 장의 거대한 변화와 그에 따른 우주론적 현상에 대해서 다룬다. 이 논문은 두 부분으로 나뉜다. 첫번째 부분은 초기 우주에서 일어나는 인플레이션과 액시온 장의 거대 변화에 관하여 논의한다. 두번째 부분에서는 인플레이션 이후 액시온 장의 거대 변화와 그것이 수반하는 우주론적 현상에 대해 논의한다. 초기 우주에서 일어나는 인플레이션은 우주를 급격하게 가속시킨다. 이때 우주의 곡률과 중력파의 섭동이 생성되는데 이것을 관측함으로써 인플레이션 스케일을 추측할 수 있다. 높은 인플레이션 스케일은 인플레이션을 일으키는 장의 거대한 변화를 수반하는데, 이를 이론적으로 실현시키기 위한 하나의 수단으로 액시온을 도입한다. 양자보정 효과에 의해 액시온의 포텐셜은 인플레이션을 일으키기에 충분하지 않을 수 있는데, 이를 부분적으로 해결 할 수 있는 몇 가지 모형에 대해 논의한다. 이렇게 제시된 모형이 약한 중력 추측과 모순이 없는지 논의한다. 약한 중력 추측을 만족할 것을 요구 했을때, 인플라톤 포텐셜은 작은 진동을 가질 수 있다. 이러한 작은 진동이 어떤 방식으로 관측에 영향을 미치는지 보인다. 한편으로는 인플레이션 이후의 거대한 액시온 장 변화는 게이지 보존을 급격히 생성 할 수 있다. 이 논문에서는 어떠한 조건 하에서 액시온의 우주론적 진화가 게이지 보존을 생성하는지 살펴본다. 그리고 이러한 게이지 보존의 생성이 어떠한 방식으로 기존의 우주론 모형에 영향을 미치는지 알아본다. 더불어 최근 게이지 계층성 문제를 해결하기 위해 제시된 릴랙시온 모형과 그것이 가지고 있는 문제를 해결하는데 이러한 게이지 보존의 생성이 어떠한 역할을 하는지에 대해서도 설명한다.
