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CP-Violation and Baryogenesis on Electroweak Scales

Konstandin, Thomas

German Title: CP-Verletzung und Baryogenese bei der Elektroschwachen Skala

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Abstract

In this work we study different aspects of CP-violation on electroweak scales and in this context quantum transport in electroweak baryogenesis. First we focus on CP-violation of CKM type as it is present in the Standard Model. We explain basic concepts and the reason for the smallness of CP-violation in direct observations and introduce theoretical bounds on CP-violation in the Standard Model. We discuss the prerequisites of the Jarlskog determinant and give some examples where these assumptions are not satisfied in a cosmological setting. We find that these bounds can be dissatisfied due to space-time dependent masses or non-perturbative effects. One of the examples is linked to effective actions of chiral gauge theories and we present a formalism to determine effective actions based on the worldline representation of path integrals. The main part of the present work deals with transport theory of quantum systems. Based on the derivation of quantum transport equations for one flavour we generalize to mixing systems with several flavours. One prominent and novel feature of our formalism is the appearance of oscillations of the off-diagonal densities analogous to neutrino oscillations. Using our approach in the concrete case of MSSM we find that electroweak baryogenesis is insufficient to explain the observed value of baryon asymmetry generically.

Translation of abstract (German)

Wir untersuchen verschiedene Aspekte von CP-Verletzung auf der elektroschwachen Skala und damit zusammenhängend Quantentransport bei der elektroschwachen Baryogenese. Zuerst konzentrieren wir uns auf CP-Verletzung vom CKM Typ wie sie im Standard Modell vorliegt. Wir erklären zugrundeliegende Konzepte und Ursachen für die Kleinheit von CP-Verletzung in direkten Beobachtungen und führen theoretische Schranken für CP-Verletzung im Standard Modell ein. Wir diskutieren die Voraussetzungen der Jarlskog Determinante und geben Beispiele in denen diese Voraussetzungen in einem kosmologischen Kontext nicht erfüllt sind. Als Ursache hierfür finden wir raum-zeitabhängige Massen oder nicht-perturbative Effekte. Eines der Beispiele bezieht sich auf effektive Wirkungen von chiralen Eichtheorien und wir präsentieren einen Formalismus zum Ermitteln von effektiven Wirkungen basierend auf der Weltlinien Repräsentation von Pfadintegralen. Der Hauptteil der Arbeit beschäftigt sich mit der Transporttheorie von Quantensystemen. Beruhend auf der Herleitung von Transportgleichungen für Systeme mit einem flavour verallgemeinern wir auf Systeme mit mixing und mehreren flavours. Eine herausragende und neue Eigenschaft unseres Formalismus ist das Auftreten von Oszillationen der Nebendiagonalelemente der Dichtematrix analog zu Neutrinooszillationen. Im konkreten Fall des MSSM finden wir, dass mit generischen Parametern elektroschwache Baryogenese nicht ausreicht, um die beobachtete Baryonasymmetrie zu erklären.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schmidt, Prof. Dr. Michael G.
Date of thesis defense: 6 July 2005
Date Deposited: 26 Jul 2005 09:17
Date: 2005
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Baryonenasymmetrie, Baryon / Teilchenerzeugung, Elektroschwache Wechselwirkung, CP-Parität, Kosmologie
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