German Title: Von fundamentalen Prinzipien zu Leptogenese

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Abstract

Baryogenesis via leptogenesis offers an elegant explanation of the origin of the baryon asymmetry of the universe by means of the CP-violating decay of heavy right-handed neutrinos in the early universe. This scenario has become very popular over the past decades due to its connection with neutrino physics. A precise computation of the baryon asymmetry produced in the leptogenesis scenario is difficult since it requires to follow the out-of-equilibrium evolution of the hot early universe. We present here a nonequilibrium quantum field theory approach to leptogenesis. This method is free of many problems inherent to the conventional approach based on the classical Boltzmann equation. Starting from first principles we derive a quantum-corrected Boltzmann equation for the asymmetry. The obtained equation is free of the double counting problem and incorporates consistently thermal corrections to the quasiparticles properties, in particular thermal masses and thermal widths. Finite width effects are taken into account through the extended quasiparticle approximation. We compare numerically the reaction densities obtained from the conventional and nonequilibrium quantum field theory approaches. We find that the enhancement due to thermal effects is partially compensated by the suppression due to thermal masses.

Translation of abstract (German)

Baryogenese durch Leptogenese liefert eine elegante Erklärung für den Ursprung der Baryonenasymmetrie des Universums durch den CP-verletzenden Zerfall von schweren rechtshändigen Neutrinos (im frühen Universum). Die nahe Verbindung zu Neutrinophysik hat in den letzten Jahrzehnten sehr zur Popularität dieses Szenarios beigetragen. Eine präzise Berechnung der Baryonenasymmetrie ist schwierig, da sie es erfordert, der Entwicklung des warmen frühen Universums im thermischen Ungleichgewicht zu folgen. In dieser Arbeit diskutieren wir Leptogenese mit Methoden der Nichtgleichgewichts-Quantenfeldtheorie. Diese Methode ist frei von zahlreichen Problemen der konventionellen Herangehensweise, welche auf der klassischen Boltzmann-Gleichung basiert. Wir leiten eine quanten-korrigierte Boltzmann-Gleichung für die Asymmetrie direkt aus den Grundprinzipien her. Die erhaltende Gleichung ist frei von dem Doppelzählungsproblem und beinhaltet konsistent die thermischen Korrekturen zu den Eigenschaften der Quasiteilchen, insbesondere deren thermische Masse und Breite. Effekte durch die begrenzte Breite werden durch eine modifizierte Quasiteilchennäherung berücksichtigt. Wir vergleichen numerisch die Ergebnisse dieses Nichtgleichgewichts-Quantenfeldtheorie-Ansatzes mit den konventionellen Methoden, und finden, dass die thermischen Effekte teilweise durch die thermischen Massen kompensiert werden.