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

Show simple item record

dc.contributor Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta fi
dc.contributor Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten sv
dc.contributor University of Helsinki, Faculty of Science en
dc.contributor Alkeishiukkasfysiikan ja maailmankaikkeuden tutkimuksen tohtoriohjelma fi
dc.contributor Doktorandprogrammet i elementarpartikelfysik och kosmologi sv
dc.contributor Doctoral Programme in Particle Physics and Universe Sciences en
dc.contributor.author Niemi, Lauri
dc.date.accessioned 2021-09-08T04:51:45Z
dc.date.available 2021-09-18
dc.date.available 2021-09-08T04:51:45Z
dc.date.issued 2021-09-28
dc.identifier.uri URN:ISBN:978-951-51-1298-9
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10138/334095
dc.description.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. en
dc.description.abstract 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. fi
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en
dc.publisher Helsingin yliopisto fi
dc.publisher Helsingfors universitet sv
dc.publisher University of Helsinki en
dc.relation.isformatof URN:ISBN:978-951-51-1297-2
dc.relation.isformatof 1455-0563
dc.relation.ispartof URN:ISSN:1455-0563
dc.rights Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty. fi
dc.rights This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited. en
dc.rights Publikationen är skyddad av upphovsrätten. Den får läsas och skrivas ut för personligt bruk. Användning i kommersiellt syfte är förbjuden. sv
dc.subject teoreettinen fysiikka
dc.title Non-Perturbative Approach to the Electroweak Phase Transition in Extended Higgs Sectors en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Doktorsavhandling (sammanläggning) sv
dc.ths Rummukainen, Kari
dc.ths Weir, David
dc.ths Keus, Venus
dc.opn Shaposhnikov, Mikhail
dc.type.dcmitype Text

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 simple item record