Kurzfassung
Wir untersuchen die Möglichkeit, dass die heiße thermische Phase des frühen Universums in Folge des B - L Phasenübergangs, welcher die kosmologische Umsetzung der spontanen Brechung der mit B - L, der Differenz von Baryonenzahl B und Leptonenzahl L, verknüpften Abelschen Eichsymmetrie darstellt, enzündet wird. Vor dem B - L Phasenübergang durchlebt das Universum einen Abschnitt der Hybridinflation. Gegen Ende der Inflation zerfällt das falsche Vakuum ungebrochener B - L Symmetrie, was tachyonisches Vorheizen sowie die Produktion kosmischer Strings nach sich zieht. Aus Beobachtungen gewonnene Einschränkungen dieses Szenarios erfordern es, dass der B - L Phasenübergang bei der Skala der Großen Vereinheitlichung stattfindet. Die Dynamik des B - L brechenden Higgsfeldes und der B - L Eichfreiheitsgrade, zusammen mit thermischen Prozessen, generiert ein Vorkommen an schweren (S)neutrinos. Diese (S)neutrinos zerfallen in Strahlung, wodurch sie das Universum aufheizen, die Baryonenasymmetrie des Universums erzeugen und der thermischen Produktion von Gravitinos den Weg ebnen. Der B - L Phasenübergang stellt folglich mitsamt dem (S)neutrinogetriebenen Aufheizprozess einen überzeugenden und testbaren Mechanismus zur Erzeugung der Anfangsbedingungen des heißen frühen Universums dar. Wir studieren den B - L Phasenübergang im vollständigen supersymmetrischen Abelschen Higgsmodel, für welches wir die Lagrangedichte in beliebiger und unitärer Eichung herleiten und diskutieren. In Hinblick auf den anschließenden Aufheizprozess formulieren wir den kompletten Satz an Boltzmanngleichungen, deren Lösungen uns zu einer detaillierten und zeitaufgelösten Beschreibung aller Teilchenhäufigkeiten während des Aufheizens verhelfen. Angenommen, das Gravitino ist das leichteste Superteilchen (LSP), so impliziert die Forderung nach Konsistenz zwischen Hybridinflation, Leptogenese und Gravitino-Dunkler-Materie Beziehungen zwischen Neutrinoparametern und Superteilchenmassen, insbesondere eine untere Schranke an die Gravitinomasse von 10 GeV. Als Alternative zu Gravitino-Dunkler-Materie betrachten wir den Fall sehr schwerer Gravitinos, die durch Hinweise auf das Higgs-Boson am LHC motiviert sind. Wir stellen fest, dass die nichtthermische Produktion reiner Wino- oder Higgsino-LSPs, d.h. schwach wechselwirkender massereicher Teilchen (WIMPs), in den Zerfällen schwerer Gravitinos für die beobachtete Menge an Dunkler Materie innerhalb einer Bandbreite von LSP-, Gravitino- und Neutrinomassen aufkommen und zugleich den von primordialer Nukleosynthese und Leptogenese auferlegten Einschränkungen genügen kann. Abgesehen von ihren kosmologischen Auswirkungen, erklärt die spontane B - L Brechung auch in natürlicher Weise die kleinen beobachteten Neutrinomassen vermöge des Seesaw-Mechanismus. Wir erlegen dem Seesaw-Model eine Flavour-Struktur vom Froggatt-Nielsen-Typ auf, welche zusammen mit den bekannten Neutrinodaten es uns erlaubt, bislang unbestimmte Neutrinoobservablen stark einzuschränken.
We investigate the possibility that the hot thermal phase of the early universe is ignited in consequence of the B - L phase transition, which represents the cosmological realization of the spontaneous breaking of the Abelian gauge symmetry associated with B - L, the difference between baryon number B and lepton number L. Prior to the B - L phase transition, the universe experiences a stage of hybrid inflation. Towards the end of inflation, the false vacuum of unbroken B - L symmetry decays, which entails tachyonic preheating as well as the production of cosmic strings. Observational constraints on this scenario require the B - L phase transition to take place at the scale of grand unification. The dynamics of the B - L breaking Higgs field and the B - L gauge degrees of freedom, in combination with thermal processes, generate an abundance of heavy (s)neutrinos. These (s)neutrinos decay into radiation, thereby reheating the universe, generating the baryon asymmetry of the universe and setting the stage for the thermal production of gravitinos. The B - L phase transition along with the (s)neutrino-driven reheating process hence represents an intriguing and testable mechanism to generate the initial conditions of the hot early universe. We study the B - L phase transition in the full supersymmetric Abelian Higgs model, for which we derive and discuss the Lagrangian in arbitrary and unitary gauge. As for the subsequent reheating process, we formulate the complete set of Boltzmann equations, the solutions of which enable us to give a detailed and time-resolved description of the evolution of all particle abundances during reheating. Assuming the gravitino to be the lightest superparticle (LSP), the requirement of consistency between hybrid inflation, leptogenesis and gravitino dark matter implies relations between neutrino parameters and superparticle masses, in particular a lower bound on the gravitino mass of 10 GeV. As an alternative to gravitino dark matter, we consider the case of very heavy gravitinos, which are motivated by hints for the Higgs boson at the LHC. We find that the nonthermal production of pure wino or higgsino LSPs, i.e. weakly interacting massive particles (WIMPs), in heavy gravitino decays can account for the observed amount of dark matter, while simultaneously fulfilling the constraints imposed by primordial nucleosynthesis and leptogenesis, within a range of LSP, gravitino and neutrino masses. Besides its cosmological implications, the spontaneous breaking of B - L also naturally explains the small observed neutrino masses via the seesaw mechanism. Upon the seesaw model we impose a flavour structure of the Froggatt-Nielson type which, together with the known neutrino data, allows us to strongly contrain yet undetermined neutrino observables.