Non-Perturbative Approach to the Electroweak Phase Transition in Extended Higgs Sectors

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1298-9
Title: Non-Perturbative Approach to the Electroweak Phase Transition in Extended Higgs Sectors
Author: Niemi, Lauri
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Doctoral Programme in Particle Physics and Universe Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-09-28
Language: en
Belongs to series: URN:ISSN:1455-0563
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1298-9
http://hdl.handle.net/10138/334095
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Many candidate theories for physics beyond the Standard Model predict that the early universe could have undergone first-order phase transitions. In particular, if new physics exists near the electroweak scale, the phase transition associated with the electroweak Higgs mechanism could have been first order. Such electroweak phase transition would be particularly interesting for cosmology, as it could provide the necessary conditions for baryogenesis and act as a source of gravitational radiation that could be detected in forthcoming gravitational-wave experiments. The purpose of this thesis is to build a robust understanding of the thermodynamics associated with cosmological phase transitions in particle physics models involving new scalars. While the zero-temperature behavior of such theories is often well described by perturbation theory, at finite temperatures this methodology breaks down due to severe infrared divergences at temperatures close to the phase transition point, making it impossible to reliably probe the order and other properties of the transition within perturbation theory alone. While estimates for characteristic quantities such as the critical temperature and latent heat can be obtained with perturbative methods, such predictions are typically sensitive to higher-order corrections from light bosons, and ultimately a non-perturbative solution to the problem is required. The framework discussed in the thesis avoids these issues by simulating the problematic long-distance physics non-perturbatively on the lattice, allowing for a rigorous determination of the thermodynamical parameters that are crucial for making cosmologically interesting predictions related to gravitational waves and baryogenesis. The thesis presents a theoretical review of the electroweak phase transition and associated non-perturbative effects and proceeds then to study a selection of popular scalar extensions of the Standard Model. Strong first-order phase transitions are found also at the non-perturbative level, but their quantitative properties differ substantially from the leading-order perturbative predictions. We demonstrate in typical strong-transition scenarios that while the perturbative method is significantly more accurate once the calculation is extended to the 2-loop level, there remains a discrepancy of order 10% for the critical temperature and several tens of percents for the latent heat, relative to the non-perturbative results. Based on our results, the 2-loop improvement should be considered essential for even order-of-magnitude estimates of the thermodynamical parameter, and these predictions will likely need non-perturbative verification if accurate results are needed.Hiukkasfysiikan Standardimallissa keskeisessä asemassa on Higgsin mekanismi, jonka seurauksena yksi luonnon perusvuorovaikutuksista, heikko ydinvoima, näyttäytyy nimensä veroisesti äärimmäisen heikkona vuorovaikutuksena nykyisessä maailmankaikkeudessa. Erittäin kuumissa olosuhteissa tämä käytös muuttuu, kun Higgsin mekanismi kytkeytyy pois päältä ja sähkömagneettiset vuorovaikutukset yhdistyvät heikkoon ydinvoimaan. Käytännössä riittävän suuria lämpötiloja on esiintynyt vain sekunnin murto-osan ikäisessä maailmankaikkeudessa. Higgsin mekanismin poiskytkeytyminen ja sen yhteydessä tapahtuva sähköheikko faasitransitio ovat täten oleellinen osa varhaisen maailmankaikkeuden kosmologista kehitystä. Tiedetään, että Standardimallin hiukkassisällöllä sähköheikko faasitransitio on rauhallinen tapahtuma, eikä oikeastaan faasitransitio ollenkaan. Higgs-sektorin tarkkaa rakennetta ei kuitenkaan olla kokeellisesti kokonaan kartoitettu, ja on mahdollista, että Higgsin mekanismissa on osallisena vielä tuntemattomia hiukkasia. Jos näitä hiukkasia on olemassa, saattaa ennusteemme sähköheikon faasitransition luonteesta muuttua radikaalisti. On erityisesti mahdollista, että kyseinen faasitransitio oli raju ensimmäisen kertaluvun transitio, joka täytti varhaisen maailmankaikkeuden Higgsin kentästä muodostuvilla kuplilla. Tällaisella tapahtumalla olisi tärkeitä kosmologisia seurauksia. On erityisesti esitetty, että Higgsin kentän kupliminen voisi spontaanisti hävittää antiainetta maailmankaikkeudesta ja selittäisi näin ollen, miksi antiaineen hiukkaset näyttävät puuttuvan lähes kokonaan nykyisestä universumistamme. Ensimmäisen kertaluvun sähköheikko faasitransitio tuottaisi myös vahvoja gravitaatioaaltoja, joita voidaan havaita seuraavan sukupolven ilmaisimissa ja tarjoavat täten kokonaan uuden lähestymistavan hiukkaskosmologiaan. Tämä väitöskirja keskittyy sähköheikon faasitransition teoreettiseen tutkimukseen hiukkasfysiikan malleissa, joissa Standardimallin hiukkasten lisäksi mukaan tuodaan uusia Higgsin kaltaisia hiukkasia. Näiden teorioiden tarkka mallinnus korkeissa lämpötiloissa on perusedellytys sähköheikon faasitransition luonteen ja sen kosmologisten seurausten ennustamiseksi. Käytännössä ongelmia aiheuttaa se tosiasia, ettei heikko ydinvoima näyttäydy heikkona äärimmäisissä lämpötiloissa, eikä nollalämpötilasta tuttuja laskumenetelmiä voi enää pitää luotettavina. Korvikkeeksi tarvitaan niin sanottuja ei-perturbatiivisia menetelmiä, joista tähän tarkoitukseen hyödyllisimpiä ovat tietokoneella suoritettavat numeeriset hilasimulaatiot. Väitöskirjassa esittellään simulaatioiden vaatima teoreettinen viitekehys ja sovelletaan menetelmää tiettyihin Standardimallin laajennuksiin. Saadut tulokset vahvistavat, että ensimmäisen kertaluvun faasitransitio on mahdollinen näissä malleissa, ja antavat konkreettista osviittaa muiden, vähemmän tarkkojen laskumenetelmien oikeellisuudesta.
Subject: teoreettinen fysiikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
niemi_lauri_dissertation_2021.pdf 765.5Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record