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Leptogenesis in Non-Equilibrium Quantum Field Theory

Subject Area Nuclear and Elementary Particle Physics, Quantum Mechanics, Relativity, Fields
Term from 2011 to 2019
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 203737337
 
Final Report Year 2019

Final Report Abstract

Zentrale Fragestellung dieses Projektes war: Welches ist der in der Natur realisierte Mechanismus der Baryogenese, d.h. wie entstand im frühen Universum die Materie-Antimaterie-Asymmetrie? Da aufgrund dergleichen Massen von Teilchen und Antiteilchen Baryogenese eine Abweichung vom thermodynamischen Gleichgewicht erfordert, beruht eine wichtige Klasse von Modellen auf Reaktionen mit schwach gekoppelten Teilchen außerhalb des Gleichgewichts. Repräsentativ dafür ist die sogenannte Leptogenese, wobei sogenannte sterile Neutrinos das Gleichgewicht verlassen. Diese Teilchen können darüber hinaus durch den sogenannten Typ-I Seesaw-Mechanismus die beobachteten Massen der leichten Neutrinos erklären. Die im Förderzeitraum durchgeführten Arbeiten legten ihren Fokus auf die Entwicklung von Methoden und die Ausräumung offener konzeptioneller Fragen. Zum Abschluß der Forderung wurden dann auch phänomenologische Anwendungen ins Auge gefaßt. Methodisch besteht die Herausforderung darin, daß teilchenphysikalische Reaktionen in Plasmen mit endlicher Temperatur oder auch mit Abweichungen vom thermodynamischen Gleichgewicht berechnet werden müssen. Für die grundlegende Formulierung und Rechnung zur Leptogenese wurde in diesem Projekt der sogenannte Closed-Time-Path (CTP) oder auch Schwinger-Keldysh-Formalismus gewählt. In diesem Kalkül kann allgemein die Zeitentwicklung von Quantenzuständen (ausgedrückt durch Korrelationsfunktionen) effizient behandelt werden. Zur Herleitung der Gleichungen, welche die Evolution der Asymmetrie beschreiben, war es essentiell, zutreffende Näherungen zu identifizieren und anzuwenden. Mit dieser Herleitung aus grundlegenden Prinzipien kann im Gegensatz zu einer heuristischen Kombination aus quantenfeldtheoretischen Wirkungsquerschnitten und Boltzmanngleichungen unmittelbar gezeigt werden, daß im thermodynamischen Gleichgewicht keine Asymmetrie bestehen kann. In den ansonsten üblichen Herangehensweisen müssen stattdessen sogenannte reelle Zwischenzustände so subtrahiert werden, daß die fundamentalen Symmetrien der Ladungs-, Paritäts- und Zeitumkehr respektiert werden. Unter anderem wurden im Rahmen dieses Projektes folgende Resultate erzielt: • Die CTP-Methode zur Berechnung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie auf Basis eigener Vorarbeiten wurde verallgemeinert und weiterentwickelt. • Methoden zur Berechnung der Asymmetrie in der sogenannten resonanten Leptogenese, welche im gesamten Parameterraum gültig sind, wurden entwickelt. Die wichtige Frage der Zerfallsasymmetrie im Grenzfall extremer Massenentartung wurde geklärt und neue Regionen im Parameterraum des Typ-I-Seesaw-Mechanismus, in denen Leptogenese möglich ist, wurden ausgemacht. • Darauf aufbauend wurden neuartige Quellen für die Leptonenasymmetrie durch Mischung von Higgs-Bosonen oder aktiven Leptonen (an Stelle der sterilen Neutrinos) gefunden. • Es wurde gezeigt, daß Leptogenese mit leichten sterilen Neutrinos im Bereich der Protonenmasse auch ohne deren Massenentartung ein gangbarer Mechanismus ist. Darauf aufbauend wurde untersucht, inwieweit existierende (LHC, Belle II) oder geplante (SHiP) Experimente durch Messung der Kopplungen der sterilen Neutrinos (der Nachweis dieser hypothetischen Teilchen vorausgesetzt) zu Elektronen, Myonen und Tau-Leptonen Leptogenese testen werden können. • Zur korrekten Berechnung der erzeugten Asymmetrien ist im sogenannten Weak-Washout-Regime und in der Leptogenese mit leichten sterilen Neutrinos die Kenntnis derer Reaktionsraten im Plasma im relativistischen Grenzfall (Masse klein gegenüber der Temperatur) nötig. Dies ist im Vergleich zum nichtrelativistischen Fall, welcher durch die Zerfallsraten im Vakuum genähert werden kann, kompliziert. Über ähnliche relativistische Prozesse werden Asymmetrien auch an andere Teilchen des Standarmodells vermittelt, welche als sogenannte Spectatorfelder den endgültigen Wert der Asymmetrie mitbestimmen. Den Einfluß dieser Teilchen, falls diese sich nur teilweise im Gleichgewicht mit der Leptonenasymmetrie befinden, wurde untersucht.

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