First-Order Electroweak Phase Transitions Beyond the Standard Model and Gravitational Waves

Das Standardmodell der Teilchenphysik (SM) erklärt Teilchenmassen über den Mechanismus der spontanen Brechung der elektroschwachen Symmetrie durch den Grundzustand des skalaren Higgspotentials. Im frühen Universum, bei hohen Temperaturen, ist die elektroschwache Symmetrie des Standardmodells exakt und das Universum befindet sich in einem Grundzustand, in welchem alle Teilchen masselos sind. Heute, bei niedriger Temperatur, bricht der Vakuumerwartungswert des Grundzustandes die elektroschwache Symmetrie, und das Universum befindet sich in einem Grundzustand, in welchem Teilchen massebehaftet sind. ... mehrDie experimentelle Entdeckung eines Higgs-Bosons bestätigt, dass ein fundamentaler skalarer Sektor in der Natur realisiert ist. Alle Daten von Beschleunigerexperimenten stimmen innerhalb theoretischer und experimenteller Unsicherheitsgrenzen mit den Theorievorhersagen des minimalen Skalarsektors des SM überein. Kosmologische Beobachtungen, wie der Überschuss von Materie gegenüber Antimaterie, oder die Existenz von nicht-baryonischer Dunkler Materie, können jedoch nicht mit dem SM erklärt werden und bilden damit eine deutliche Evidenz für Physik jenseits des Standardmodells (BSM). Erweiterungen des Skalarsektors des SM erklären, genau wie der minimale Skalarsektor des SM, die Daten der Beschleunigerexperimente. Sie können jedoch zusätzlich Mechanismen enthalten, um den Materieüberschuss, sowie Dunkle Materie zu erklären. Die Materie–Antimaterie Asymmetry kann durch elektroschwache Baryogenese (EWBG) dynamisch erzeugt werden, wenn die drei Sakharov Bedingungen erfüllt sind. Diese sind die Existenz von Baryonenzahl-verletzenden Prozessen, Verletzung der Ladungskonjugation- (C) und Ladungskonjugations- und Paritäts-Symmetrie (CP), sowie Abweichung vom thermischen Gleichgewicht. In EWBG wird durch eine Kombination von CP-verletzenden Prozessen und von Baryonenzahl-verletzenden Sphaleron-Prozessen ein Materieüberschuss erzeugt. Der Materieüberschuss wird dann anschließend durch einen starken elektroschwachen Phasenübergang erster Ordnung zwischen dem elektroschwach-symmetrischen falschen Grundzustand bei hohen Temperaturen zu dem elektroschwach-gebrochenen wahren Grundzustand bei niedrigen Temperaturen erhalten. Während Sphaleron-Prozesse im SM die Baryonenzahl verletzen können, hat das SM jedoch nicht genügend CP-Verletzung und sagt außerdem keinen starken elektroschwachen Phasenübergang erster Ordnung voraus. BSM-Erweiterungen sind somit notwendig, um einen starken elektroschwachen Phasenübergang erster Ordnung, sowie zusätzliche CP-Verletzung zu ermöglichen. Zusätzlich zur Bereitstellung einer Abweichung vom thermischen Gleichgewicht, welche eine notwendige Bedingung für erfolgreiche EWBG ist, sind elektroschwache Phasenübergänge erster Ordnung auch Quellen für einen stochastischen Gravitationswellenhintergrund, welcher von zukünftigen Gravitationswellendetektoren gemessen werden könnte.
In dieser Arbeit stellen wir eine Verbindung her zwischen dem Parameterraum spezieller BSM-Modelle, welcher elektroschwache Phasenübergänge erster Ordnung erlaubt, und Observablen an Beschleunigerexperimenten, sowie zu erzeugten Gravitationswellen, für die zukünftige Gravitationswellendetektoren empfindlich sein können. Außerdem können die untersuchten BSM-Modelle spontan die elektromagnetische Symmetrie in zwischenzeitlichen Temperaturregionen brechen, zusätzliche Quellen für CP-Verletzung haben, sowie Kandidaten für Dunkle
Materie enthalten.

The Standard Model of Particle Physics (SM) explains particle masses via the spontaneous breaking of the electroweak symmetry by the ground state of the scalar Higgs potential. In the early universe at high temperatures, the electroweak symmetry in the SM is restored and the universe is in a vacuum in which all particles are massless. Today, at low temperature, the electroweak vacuum expectation value of the ground state breaks the electroweak symmetry and the universe has massive particles. The experimental observation of a Higgs boson confirms the realization of a fundamental scalar sector in nature. ... mehrAll collider data agrees with the minimal scalar sector of the SM within theoretical and experimental uncertainties. However, cosmological observations, in particular the excess of matter over antimatter and the existence of non-baryonic dark matter, cannot be explained by the SM. Therefore, this strongly suggests the presence of physics beyond the SM (BSM). Extensions of the scalar sector of the SM provide a promising avenue for studying BSM physics, as not only the minimal scalar sector of the SM, but also BSM extensions of the scalar sector can reproduce all experimental collider data. Additionally, BSM scalar sector extensions can incorporate mechanisms to produce a matter–antimatter asymmetry, and can as well contain dark matter candidates. The matter–antimatter asymmetry can be dynamically generated through electroweak baryogenesis (EWBG) if the three Sakharov conditions are fulfilled. These are the existence of baryon number violation, violation of the charge conjugation (C) and charge-conjugation and parity (CP) symmetry, as well as departure from thermal equilibrium. In EWBG, a matter–antimatter asymmetry is produced through a combination of CP-violating processes and sphaleron-mediated baryon number violating processes. The excess of matter is then conserved by the departure from thermal equilibrium which is realized through a strong first-order electroweak phase transition (EWPT) from the electroweak symmetric false vacuum at high temperatures to the electroweak broken, true vacuum at low temperatures. While sphaleron-mediated processes in the SM can violate the baryon number, the SM does not have enough CP violation, neither does it predict a strong first-order EWPT. Therefore, BSM extensions are required to enable a strong first-order EWPT as well as to provide additional sources of CP violation. In addition to providing the departure from thermal equilibrium which is necessary for EWBG, first-order EWPTs also source a stochastic gravitational wave (GW) background that could be detectable at GW observatories in the near future.
In this thesis, we connect the parameter space for first-order EWPTs for selected BSM models to collider observables and to their potential to source gravitational waves to which future GW observatories might become sensitive. Further, we show that the models under investigation provide intermediate temperature regions with spontaneous breaking of the electromagnetic symmetry or additional sources of CP violation, as well as dark matter.