The first second of leptons [Elektronische Ressource] / Maik Stuke. Abt. Theoretische Physik : Theoretische Hochenergiephysik -- Fakultät für Physik

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• Publié par: universitat_bielefeld
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 47
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

Fakultat fur Physik der Universitat Bielefeld
The First Second of Leptons
Maik Stuke
Wersterstr. 27
32549 Bad Oeynhausen
May 2011
Supervisor:
Prof. Dr. Dominik J. Schwarz
Vorgelegt der
Fakultat fur Physik der Universitat Bielefeld
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)
Gedruckt auf alterungsbestan digem Papier (ISO 9706)Contents
Eigenstandigkeitserklarung iii
Danksagung v
Abstract vii
1 Introduction 1
2 Particle Cosmology 7
2.1 Standard Model of particle physics . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Friedmann-Lema^tre-Robertson-Walker cosmology . . . . . . . 11
2.3 Dark Matter and other mysteries . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 Brief thermal history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 Thermodynamics 23
3.1 Kinetic theory in the expanding universe . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Entropy and degrees of freedom . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3 Conserved quantum numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4 Leptons and BBN,CMB and LSS 33
5 Lepton Asymmetries Before BBN 41
5.1 Neutrino oscillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2 Generation of asymmetries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2.1 Large lepton asymmetries . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2.2 Large lepton avour asymmetries . . . . . . . . . . . . 51
6 Leptons and Cosmic QCD Transition 53
6.1 Quark phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.2 Hadron phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.3 Chemical potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.3.1 Baryochemical potential . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
i6.3.2 Charge chemical potential . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.3.3 Leptochemical potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.4 Consequences for the cosmic QCD transition . . . . . . . . . . 68
7 Leptons and WIMP Freeze Out 71
7.1 Large lepton (avour) asymmetries and e ective relativistic
degrees of freedom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.1.1 Flavour symmetric lepton asymmetry . . . . . . . . . . 73
7.1.2 Flavour asymmetric lepton asymmetry . . . . . . . . . 74
7.2 E ect on decoupling of WIMP Dark Matter . . . . . . . . . . 80
7.3 Consequences for the relic abundance and density of WIMPS . 81
8 Conclusion 87
9 Outlook 91
A Numerics 93
A.1 Numerical methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
A.1.1 Numerical results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97Eigenstandigkeitserklarung
Hiermit erklare ich, dass ich die vorliegende Arbeit mit dem TitelThefirst
second of leptons selbststandig und ohne unerlaubte fremde Hilfe ange-
fertigt habe. Es wurden ausschlie lich die angegebenen Quellen und Hilfen
benutzt.
Bielefeld, June 29, 2011
Maik Stuke
iiiThe work presented here is based upon some Articles written during the last
three years. In the following they are listed chronologically. Parts of them have
already been published, see number 4 and 2 below. Also listed here is a popular
review of our work at the NewScientist.
The article listed at number 1 has not been submitted, yet.
The article number 3 is published, but not part of this thesis, since it is dealing
with a di erent subject of cosmology, the CMB physics.
1. G. D. Starkman, D. J. Schwarz, M. Stuke,
\Relic WIMP abundance and lepton (avour-) asymmetries,"
to be submitted.
2. M. Stuke,
\Particle asymmetries in the early universe,"
Proceedings of the 32nd Erice Workshop 2010,
Prog.Part.Nucl.Phys.,66,220-225,2010
arXiv:1011.6282 [hep-ph]
3. T. S. Pereira, A. Yoho, M. Stuke, G. D. Starkman,
\E ects of a Cut, Lorentz-Boosted sky on the Angular Power Spectrum,"
arXiv:1009.4937 [astro-ph]
Citations: 1
4. D. J. Schwarz, M. Stuke,
\Lepton asymmetry and the cosmic QCD transition,"
JCAP 0911 (2009) 025. and Erratum JCAP E01 (2010) 032
arXiv:0906.3434 [hep-ph].
Citations: 13 (12 (NASA) / 11 (Spires))
A popular review about the work Lepton asymmetry and the cosmic QCD transition
can be found in the following journal:
R. Courtland
\Did the universe bubble and boil?"
NewScientist 2761 (May 22, 2010) 8.
June 29, 2011Danksagung
Diese Arbeit ware ohne die Mithilfe vieler Personen nie entstanden. Einigen
mochte ich an dieser Stelle danken.
Der gro te Dank geb uhrt meiner Familie und deren unbedingter Unterstutzung.
Sie haben mich stets in dem was ich tat bestarkt. Vielen Dank fur Alles!
Entstanden ist diese Arbeit in der Arbeitsgruppe der theoretischen Hoch-
energiephysik an der Universitat Bielefeld. Vielen Dank fur die gute Ar-
beitsatmosphare und die Ermoglichung der Teilnahme an den vielen Work-
shops, Konferenzen und Block Kursen im In- und Ausland. Ein besonderer
Dank an Susi v. Reder und Gudrun Eichmeyer fur Alles! Ein besseres und
kreativeres Arbeitsumfeld als das mir durch meinen Betreuer Prof. Dr. Do-
minik J. Schwarz gebotene, ist wohl nur schwer moglich. Vielen Dank fur die
geduldige Anleitung zum wissenschaftlichen Arbeiten.
Finanziert wurde diese Arbeit durch ein Stipendium der Friedrich- Ebert-
Stiftung der ich fur das in mich gesetzte Vertrauen danken mochte. Ins-
besondere die vielen Workshops, Diskussionen und Freundschaften waren
sehr stuimulierent. Besonderes mochte ich mich bei dem fur meine Betreuung
zustandigem Team um Sohel Ahmand bedanken.
I am grateful to all people I met in the physics department at the Uni-
versity of Bielefeld. Thank you for all the discussions and help. In particu-
lar Aravind Natarajan, Christian Byrnes, Olaf Kaczmarek, Edwin Laermann,
Anthony Francis, Marcel Muller for discussions, proof readings and help with
the numerics of this work.
vAlso I am very grateful to the physics faculty of the Case Western Reserve
University Cleveland, Ohio. In particular to Glenn D. Starkman, who made
my visit possible and showed me a whole new perspective on the physics.
It was a very inspiring time! Thanks for opening a new eld to me, the
CMB physics. A big thanks to Amanda Yoho and Thiago S. Pereira for
answering all my questions so patiently. I enjoyed the help and discussions
with Craig Copi, Pascal M. Vaudrevange, Dimitry Podolsky, Yi-Zhen Chu,
Francesco Petrogalli, David M. Jacobs, Eric Greenwood, Yifung Ng, Tanmay
Vachaspati and Harsh Mathur. Thanks to everyone for everything! A special
thanks to Lori Morton and Patricia Bacevice for helping me with all the
administrative stu , especially the visa!
Sentiti ringraziamenti anche a Giovanni Falcone, che mi ha invitato all
Universita della Calabria per il mio primo seminario.
Mille grazie a Rossella Falcone. Senza te non posso fare niente. Un grande
bacio!Abstract
We study the inuence of lepton asymmetries on the evolution of the early
Universe. The lepton asymmetryl is poorly constrained by observations and
might be orders of magnitudes larger than the observed baryon asymmetry
10 9b’ 10 ,jlj=b 2 10 .
We