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A Little Inflation at the Cosmological QCD Phase Transition

Boeckel, Moritz Tillmann

German Title: Eine kleine Inflation am kosmologischen QCD Phasenübergang

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In this thesis I explore a new scenario that allows for a strong first order phasetransition of quantum chromodynamics (QCD) at non-negligible baryon density in the early universe and its possible observable consequences. After an introduction to important aspects of the underlying fields of QCD and cosmology I discuss the possibility of a short inflationary phase at the cosmological QCD phase transition. A strong mechanism for baryogenesis is needed to start out with a baryon asymmetry of order unity, e.g. as provided by Affleck-Dine baryogenesis which is also discussed within the thesis. The second main assumption for this ”little inflation” scenario is a quasistable QCD-vacuum state that leads to a short period of exponential expansion consequently diluting the net baryon to photon ratio to today’s observed value. The cosmological implications are among other things direct effects on primordial density fluctuations up to length scales corresponding to an enclosed dark matter mass of 1 M⊙, change in the spectral slope up to 10^6 M⊙, production of strong primordial magnetic fields and a gravitational wave spectrum that could be observed by future pulsar timing gravitational wave detectors.

Translation of abstract (German)

In dieser Dissertation untersuche ich ein neues Szenario welches im frühen Universum für die Quantenchromodynamik (QCD) einen starken Phasenübergang erster Ordnung bei nicht verschwindender Baryonendichte ermöglicht und diskutiere mögliche beobachtbare Konsequenzen. Nach Einführungen in wichtige Aspekte der zugrunde liegenden Felder der QCD und der Kosmologie diskutiere ich die Möglichkeit einer kurzen inflationären Phase am kosmologischen QCD Phasenübergang. Ein starker Baryogenese-Mechanismus is notwendig um die benötigte Baryonasymmetrie der Größenordung eins voraussetzen zu können, eine Möglichkeit wäre dabei die sogenannte Affleck-Dine Baryogenese die ebenfalls diskutiert wird. Die zweite Kernannahme dieses ”kleine Inflation”-Szenarios ist ein quasistabiler QCD-Vacuumzustand der eine kurze Periode der exponentiallen Expansion verursacht und dabei das Verhältnis von Baryonen zu Photonen auf den Heute beobachteten Wert verdünnt. Die kosmologischen Auswirkunge sind unter anderem eine direkte Modifikation der primordialen Dichtefluktuationen bis zu einer Massenskala der dunklen Materie von 1 M⊙, eine Änderung in der spektralen Steigung bis zu 10^6 M⊙, Produktion von starken primordialen Magnetfeldern und eines Gravitationswellen-Spektrums das von zukünftigen Pulsarlaufzeit-Gravitationswellen-Detektoren beobachtet werden könnte.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schaffner-Bielich, Prof. Dr. Jürgen
Date of thesis defense: 8 June 2011
Date Deposited: 16 Jun 2011 14:24
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Quantenchromodynamik, Inflationäres Weltall, Phasenumwandlung, Magnetfeld, Fluktuation <Physik>
Uncontrolled Keywords: Gravitationswellen , Strukturbildung , Baryogenese , Dunkle MateriePhase Transition , Quantum Chromodynamics , Cosmology , Dark Matter , Structure Formation
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