Induced gravity with Higgs potential [Elektronische Ressource] : elementary interactions and quantum processes = Induzierte Gravitation mit Higgspotential / presented by Nils Manuel Bezares Roder

Description

Research Group for Cosmology and Quantum GravitationInstitute of Theoretical PhysicsFaculty of Natural SciencesInduced GravitywithHiggs PotentialElementary Interactions and Quantum ProcessesDoctoral Thesisfor obtaining the academical degree of Doctor of natural sciences(Doctor rerum naturalium)of the Faculty of Natural Sciences of the University of Ulmpresented byNils Manuel Bezares Roderfrom Mexico CityUlm, 2010RefereeProf. Dr. Frank SteinerProf. Dr. Werner BalserArbeitsgruppe für Kosmologie und QuantengravitationInstitut für Theoretische PhysikFakultät für NaturwissenschaftenInduzierte GravitationmitHiggspotentialElementare Wechselwirkungen und QuantenprozesseDissertationzur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat.(Doctor rerum naturalium)der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Ulmvorgelegt vonNils Manuel Bezares Roderaus Mexiko-StadtUlm, 2010Erstgutachter: Prof. Dr. Frank Steiner, Institut für Theoretische PhysikZweitgutachter: Prof. Dr. Werner Balser, Institut für Angewandte AnalysisAmtierender Dekan: Prof. Dr. Axel Groß, Institut für Theoretische ChemieTag der Promotion: 29. Juni 2010SummaryThis work is intended to first serve as introduction in fundamental subjects of physics in order to be thenable to review the mechanism of symmetry breakdown and its essential character in physics.

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: universitat_ulm
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 45
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

ResearchGroupforCosmologyandQuantumGravitation
ysicsPhTheoreticalofInstituteSciencesNaturalofacultyF

InducedvityGra

with

ElementaryInteractionsHiggsPandotentialQuantumProcesses

ThesisDoctoralforobtainingtheacademicaldegreeofDoctorofnaturalsciences
naturalium)rerum(DoctoroftheFacultyofNaturalSciencesoftheUniversityofUlm

bypresentedNilsfromManuelMeBezarxicoesCityRoder
2010Ulm,

eeReferSteinerFrank.DrProf.Prof.Dr.WernerBalser

ArbeitsgruppefürKosmologieundQuantengravitation
ysikPhTheoretischefürInstitutNaturwissenschaftenfürakultätF

vitationGraInduziertemitElementareWechselwirkungenHiggspotentialundQuantenprozesse

DissertationzurErlangungdesDoktorgradesDr.rer.nat.
naturalium)rerum(DoctorderFakultätfürNaturwissenschaftenderUniversitätUlm

vorgelegtvon
NilsausManuelMexikBezaro-StadtesRoder
2010Ulm,

Erstgutachter:Prof.Dr.FrankSteiner,InstitutfürTheoretischePhysik
Zweitgutachter:Prof.Dr.WernerBalser,InstitutfürAngewandteAnalysis
AmtierenderDekan:Prof.Dr.AxelGroß,InstitutfürTheoretischeChemie
TagderPromotion:29.Juni2010

Summary

Thisworkisintendedtofirstserveasintroductioninfundamentalsubjectsofphysicsinordertobethen
abletoreviewthemechanismofsymmetrybreakdownanditsessentialcharacterinphysics.Itisdiscussed
howthismechanismisindeedfundamentalforabetterunderstandingofphysicsinallitsfields,especially
inrelationtoelementary-particleandcondensed-matterphysics,includingsuperconductivityinitsusualas
wellasdualformwhichisinvestigatedwithingluodynamics.Thisworkthenintroducestheconceptof
scalar–tensortheoriesofgravitybasedonBergmann–WagonermodelswithaHiggspotential.Themain
physicalcontextaimedistheproblemofDarkMatterandDarkEnergywhichareaddressedinthisworkin
anattempttobetterunderstandthosephenomenologicalsubjectsofastrophysicsandcosmology.
Ontheonehand,thereisgravitation.Itisespeciallyrelevantforastrophysicalphenomenaandforanalyses
ofthestructureoftheUniverseasawhole.Withinthiscontext,wehaveDarkMatterasanespecially
relevantconcept.DarkMatteristhenamegiventomostofthematterintheUniverse,anditisnecessaryto
reproducemeasuredastrophysicaldatawithinstandarddynamics.Thelatterassumes(electromagnetically
uncoupled)dynamicalmatterwhichmaystill(andshould)beproducedinexperimentsinordertoclarify
itsnature.DarkMattercomprisesca.90percentofthewholematterdensity,whereasmatterdensityonly
comprisesaboutonethirdofthetotalenergydensitythereis.Almostallotherdensity(hencearound2/3
ofallenergydensity)iscalledDarkEnergy.Thisenergyactsgravitationallyrepulsiveandleadstothe
measuredacceleratedexpansionofthecurrentUniverse.
Ontheotherhand,thereiselementary-particlephysicswheremassisexplainedasaconsequenceofrupture
ofsymmetrybymeansofaninteractionbetweenthemasslessmatterstatesandsomescalarfields.Ascalar
fieldofthiskindiscoupledheretogravitationinordertoobtainnewgravitationaldynamicsbesidestheusual
ones.Asaconsequence,antigravitationandantiscreeningofmatterwillbeexpectedasphenomenological
.MatterDarkThisworkentailsthefollowingmaincontributions:

•GeneralfeaturesofEinsteinstheoryareintroducedtogetherwithgeneralitiesofthedifferentelemen-
taryinteractionsofphysicsfromwhichtheconceptsofdarksectorsandHiggsMechanismarederived
2).and1(Chapters

•TheconceptofsymmetrybreakingandespeciallytheHiggsMechanismofmassgenerationaredis-
cussedintheirrelevanceforthemostdifferentsubjectsofphysics,especiallyinrelationtotheStan-
dardModelofelementaryparticlephysicswithelementaryHiggsfields(Chapters3).

•ThemechanismofsymmetrybreakdownwithHiggsscalarfields,asessenceforthephenomenology
ofsuperconductivityincondensedmatterphysics,isshownwithintheproblemofconfinementof
quarksinhadrons,i.e.oftheconstituentswithinnuclearparticles.ThisChaptershowstherelevance
anduniversalpropertiesofmechanismsofsymmetrybreakdowninphysics.Itwascarriedoutwithin

iii

vi

ajointworkwithDr.HemwatiNandanoftheCentreforTheoreticalPhysicsinNewDelhi.Parting
fromWick-transformedpropagatorsfordual-symmetricsystems,itcontinuesearlierworksofhis
andreenforcestheconceptofsymmetriesinnatureandtheassumptionthatHiggsfieldsmaylead
tothinflux-tubeformationforcolor-electricchargesconstrictinganalogouslytomagneticfieldsin
superconductors,whereasCooperpairsinBCSmodelsactaseffectiveHiggsbosons(Chapter4and
4.3).especially•Scalar–TensorTheoriesareintroducedhistorically(Chapter5)inordertobuildinthemtheprocess
ofHiggsMechanism.ThisisthenfulfilledwithatheoryofinducedgravitywithaHiggspotential
(Chapter6)whichseemsrenormalizableaccordingtodeWittspowercountingcriterion,andwith
mass-generatingHiggsfieldswhichonlycouplegravitationallyaswellaswithHiggsfieldswhichact
fields.cosmontoanalogously•Higgsfieldsingeneralinteractgravitationallysothattheyarecoupledheretoactwithingravitation
indeed.Further,theenergydensityofthegravitationalfieldisderivedforthespecificmodelof
inducedgravityfromananalogytoelectrodynamics(Chapters6.4and7.3).Itisshownthatanon-
vanishingvalueofpressurerelatedtothescalarfieldisnecessaryinordertoreproducestandardlinear
solar-relativisticdynamics.Withinastrophysicalconsiderationsforflatrotationcurvesofgalaxies,a
possibledark-matterbehaviorisconcludedwithinsphericalsymmetry(Chapters7.7and7.8).The
scalarfieldandthedark-matterprofileoftotalenergydensityarederived.Ananalogousrelation
betweendensityandpressureingalactodynamicstothatofsolar-relativisticbehaviorappearsforthe
dominanceofphenomenologicalDarkMatteringalaxies.
•Withinsphericalsymmetry(Chapter7),gravitationallyrepulsiveissuesofinducedgravityarecon-
cluded.ThesemayleadtoweakeningofhorizonsofBlackHoles(greystars;Chapter7.4)aswell
astoReissner–Nordström-likebehavioringalaxiesandBlackHoles(Chapter7.5).Thismayaccount
topotentiallyrelevantastrophysicalconsequencesonweak-fieldsolutionssuchasgeodesicmotion
(Chapter7.7)andsolar-relativisticeffects(Chapter7.6).
•FundamentalrelationsofcosmologywithininducedgravitywithHiggspotentialarederivedfora
Friedmann–Robertson–Walkersymmetry(Chapter8).Cosmicaccelerationanddark-matterpheno-
menologyareanalyzedinvirtueofthegeneralizedFriedmannequations,theequationsofstate,cosmic
parameters.densityanddeceleration•IndicationsofapossiblefiniteinitialstateoftheUniverseareachievedforaFriedmanncosmology
(Chapters8.7and8.8)togetherwithacceleratingbehaviorinsuchastateaswellasinthecurrentUni-
verse.Absenceofmatterleadstoanti-stiff,quintessential(antigravitational)behaviorintheUniverse
8.2).(Chapter

Übersicht

DieseArbeitbeabsichtigtalserstes,einekurzeEinleitungingrundlegendeGebietederPhysikzusein,umso
einenÜberblickdesMechanismusderSymmetriebrechungundseinerwesentlichenMerkmaleinderPhysik
wiederzugeben.Eswirdbesprochen,wiedieserMechanismustatsächlichgrundlegendfüreinbesseresVer-
ständnisderPhysikinvielenGebietenist,ganzbesondersinVerbindungmitderElementarteilchenphysik
undderPhysikkondensierterMaterie,einschließlichderSupraleitunginihrergewöhnlichen,wieauchin
ihrerdualenForm,welcheinnerhalbderGluodynamikuntersuchtwird.
DieseArbeitführtdannindasKonzeptderSkalar-TensortheorienderGravitationein,dieaufBergmann-
Wagoner-ModellenmiteinemHiggspotentialbasieren.DerwesentlichephysikalischeKontext,dendiese
Arbeitbezweckt,sinddieProblemederDunklenMaterieundderDunklenEnergie.Diesewerdenunter-
sucht,umsolchephänomenologischeFachgebietederAstrophysikundderKosmologiebesserzuverstehen.
AufdereinenSeiteliegtdieGravitationvor.Siebefasstsichimwesentlichenmitdenastrophysikalischen
PhänomenenundmitderStrukturdesUniversumsansich.IndiesemKontextistdieDunkleMaterievon
besondererRelevanz.DergrößteAnteilanMaterieimUniversumwirdalsDunkleMateriebezeichnet.
Sieistnotwendig,umdieinnerhalbderStandarddynamikgemessenenastrophysikalischenDatenwieder-
zugeben.Standarddynamikbenötigt,(nichtandenElektromagnetismusgekoppelte)dynamischeMaterie,
welcheabernochexperimentellnachgewiesenwerdenmuss.DunkleMaterieumfasstca.90Prozentder
gesamtenMateriedichte,wobeidieMateriedichtewiederumnurrundeinDritteldergesamtenEnergiedichte
darstellt.FasallerestlicheDichte,alsoknappzweiDritteldergesamtenEnergiedichte,wirdalsDunkle-
Energie-Dichtebezeichnet.DieseEnergieagiertgravitativabstoßendundwirdzurErklärungdergemesse-
nenbeschleunigtenExpansionunseresUniversumsherangezogen.
AufderanderenSeiteliegtdieElementarteilchenphysikvor,inderdieMassealsFolgegewisserSymmetrie-
brechungerklärtwirdundzwarmittelsWechselwirkungenzwischendenmasselosenMateriezuständenund
einerbestimmtenArtskalarerFelder.EinskalaresFelddieserArtwirdhierandieGravitationgekoppelt,um
somitneuegravitativeDynamikzuerlangen,diezudengewöhnlichenhinzuzufügenist.AlsFolgewerden
AntigravitationundGegenabschirmungderMateriealsphänomenologischeDunkleMaterieerwartet.
Hauptbeiträge:folgendebeinhaltetArbeitDiese

•AllgemeineBestandteiledereinsteinschenTheoriewerdenzusammenmitallgemeingültigenAspek-
tenderelementarenWechselwirkungenderPhysikeingeleitet.AusdiesenstammendieKonzepteder
dunklenSektorenunddesHiggsmechanismusab(Kapitel1und2).

•DasKonzeptderSymmetriebrechungundinsbesonderedesHiggsmechanismusderMassenerzeu-
gungwerdenimSinneihrerBedeutungfürdieunterschiedlichenGebietederPhysikbesprochen,
vornehmlichinBezugaufdasStandardmodellderElementarteilchenphysikmitelementarenHiggs-
3).(Kapitelfeldern

v

vi

•DerMechanismusderSymmetiebrechungmitHiggsfeldernwirdvorgeführ.DieseristKernder
phänomenologischenSupraleitunginnerhalbderPhysikkondensierterMaterieundwirdhierimSinne