Vacuum Structure of Models beyond the Standard Model

Mit der Messung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 wurde das letzte Elementarteilchen des Stan-
dardmodells der Teilchenphysik gefunden. Obwohl dessen Vorhersagen kompatibel mit den
Messungen an Teilchenbeschleuniger-Experimenten sind, gibt es noch viele offene Fragen, die
vom Standardmodell der Teilchenphysik nicht beantwortet werden können. Zu diesen Fragen
gehören unter anderem die Stabilität des Vakuums bei hohen Energien oder die gemessene
Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im Universum. Um diese beiden Fragen
mit den Ergebnissen von Teilchenbeschleuniger-Experimenten zu kombinieren, werden ver-
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schiedene Theorien mit Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik untersucht.
In dieser Arbeit werden hierfür das Zwei-Higgs-Dublett Modell, sowohl in seiner ladungs-
und paritätserhaltenden als auch verletzenden Variante, und das Nichtminimale Zwei-Higgs-
Dublett Modell als konkrete Modelle für die Erweiterung des Higgs Potentials des Standard-
modells untersucht. Für beide Varianten des Zwei-Higgs-Dublett Modells wird die Stabilität
des Vakuums bei hohen Energien berechnet. Eine wichtige Komponente für die Asymmetrie
zwischen Materie und Antimaterie im Universum und andere Effekte im frühen Universum
ist der elektroschwache Phasenübergang. Während dieser Arbeit wurde hierfür der C++
Code BSMPT entwickelt und veröffentlicht, welcher die numerische Berechnung der Stärke des
elektroschwachen Phasenübergangs ermöglicht. Durch den modularen Aufbau können neue
Modelle für Physik jenseits des Standardmodells in BSMPT implementiert werden. Diese Arbeit
zeigt den Effekt, den die Forderung eines elektroschwachen Phasenübergangs starker erster
Ordnung auf den möglichen Parameterraum beider Modelle hat. Da das ladungs- und par-
itätsverletzende Zwei-Higgs-Dublett Modell alle notwendigen Bausteine für Entstehung einer
Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie zur Verfügung stellt, wurde diese währendx
dieser Arbeit ausgerechnet. Diese Rechnungen werden abschließend mit den Ergebnissen
aktueller Teilchenbeschleuniger-Experimente kombiniert und der Effekt auf den möglichen
Parameterraum des Modells dargestellt.

With the measurement of the Higgs boson in 2012 the last particle of the Standard Model
of particle physics was found. While its predictions are compatible with the measurements
at particle collider experiments, there are many questions which cannot be answered in the
Standard Model. Among these open questions is the stability of the vacuum of the Standard
Model at high energies as well as the generation of the observed matter-antimatter asymmetry
of the universe. To combine these two open questions with the measured constraints from
particle collider experiments, theories beyond the Standard Model are investigated.
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In this thesis the 2-Higgs-Doublet Model, in its charge-parity-conserving and -violating re-
alisation, and the Next-to-2-Higgs-Doublet Model are investigated as specific realisations to
extend the Higgs potential of the Standard Model. For both realisations of the 2-Higgs-
Doublet Model the stability of the vacuum at higher energies is calculated. An important
ingredient for the matter-antimatter asymmetry of the universe and other effects in the early
universe is the electroweak phase transition. During this thesis, the C++ code BSMPT has
been developed and published, allowing for the numerical evaluation of the strength of the
electroweak phase transition. Through its modular setup BSMPT can be adapted for other
realisations of physics beyond the Standard Model. This thesis shows the effects of requiring
a strong first-order electroweak phase transition on the parameter space of both models. As
the charge-parity violating 2-Higgs-Doublet Model provides all necessary ingredients to gen-
erate a matter-antimatter asymmetry, it is calculated in this thesis. These calculations are
then combined with experimental constraints from particle collider experiments to show the
effect on the parameter space of the model.