Advancing the Perturbative Description of the Electroweak Phase Transition: Loops, Bubbles and Gravitational Waves

Abstract

Die Natur des elektroschwachen Phasenübergangs (EWPT) im frühen Universum spielt eine zentrale Rolle bei der Verbindung von Teilchenphysik und Kosmologie. Im Standardmodell (SM) verläuft der EWPT als kontinuierlicher Crossover, was elektroschwache Baryogenese ausschließt und keine beobachtbaren Gravitationswellen (GW) zur Folge hat. Im Gegensatz dazu ermöglichen viele SM-Erweiterungen einen starken Phasenübergang erster Ordnung, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, die Baryonenasymmetrie zu erklären und wodurch stochastische GW-Hintergründe erzeugt werden können.

Diese Arbeit untersucht den EWPT in Szenarien jenseits des SM (BSM) und konzentriert sich auf die Herausforderung, thermodynamische Observablen durch eine Verbesserung der

theoretischen Unsicherheiten zuverlässig zu bestimmen. Dazu werden verschiedene perturbative Ansätze verglichen, insbesondere konventionelle vierdimensionale (4D) Methoden bei endlicher Temperatur und eine dimensionsreduzierte dreidimensionale (3D) effektive Feldtheorie (EFT), die die Trennung thermischer Skalen ausnutzt.

In der komplexen Singulett-Erweiterung des SM (cxSM) mit starkem Phasenübergang erster Ordnung verwenden wir die verbleibende Eich- und Skalenabhängigkeit als diagnostisches Werkzeug zur Quantifizierung theoretischer Unsicherheiten. Dabei zeigt sich, dass der 3D EFT-Rahmen innerhalb des Gültigkeitsbereichs der EFT-Anwendung robustere Vorhersagen liefert. Im Rahmen der 3D EFT leiten wir die Renormierungsgruppenevolution der effektiven Kopplungen für die 3D EFT der Standardmodell-Effektiven Feldtheorie (SMEFT) her und berücksichtigen dabei in systematischer Weise höherdimensionale Operatoren. Dies ermöglicht eine konsistente Resummation logarithmischer Korrekturen und ebnet den Weg für präzisere perturbative Rechnungen und Gitter-Simulationen des EWPT. Darüber hinaus entwickeln wir ein systematisches Rahmenwerk, um Ein-Schleifen-Korrekturen in die Bewegungsgleichung der Begrenzungsfläche der gebrochenen Phase einzubeziehen und so die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Berechnung der Geschwindigkeit der Begrenzungsfläche zu erhöhen.

Insgesamt trägt diese Arbeit zum Präzisionsprogramm für EWPT-Studien bei, indem sie theoretische Unsicherheiten systematisch untersucht, perturbative Methoden verbessert und GW-Vorhersagen verfeinert. Diese Entwicklungen sind entscheidend für die Interpretation zukünftiger experimenteller Ergebnisse, insbesondere von Experimenten wie LISA, und für die Nutzung von GWs für die Suche neuer Physik im frühen Universum.