Kurzfassung
Die Dissertation untersucht die Rolle von Domänenwänden in verschiedenen Erweiterungen des Higgs-Sektors des Standardmodells (SM), wie beispielsweise den Zwei-Higgs-Doublet-Modellen (2HDM) und den Nächst-zu-Zwei-Higgs-Doublet-Modellen (N2HDM). Domänenwände entstehen nach einem Phasenübergang im frühen Universum, falls eine diskrete Symmetrie spontan gebrochen wird. Wir diskutieren in dieser Arbeit verschiedene Aspekte dieser Domänenwände im Higgs-Sektor, die sich deutlich von der in der Literatur diskutierten Standardlösung für Domänenwände unterscheiden. Dies umfasst die Diskussion der verschiedenen Arten von Domänenwandlösungen im 2HDM, mit denen CP- und elektrisch ladungsverletzende Skalarfeld-Domänenwandkonfigurationen konstruiert werden können. Wir diskutieren außerdem einige Aspekte der Streuung von SM-Fermionen, wie z. B. Top- und Bottom-Quarks, an diesen verschiedenen Arten von Domänenwänden.
Im Fall des N2HDMs zeigen wir, dass Domänenwände im Kontext der elektroschwachen Baryogenese eingebettet sein können. Das geschieht durch die Art und weise, wie Domänenwände zur Wiederherstellung der elektroschwachen Symmetrie in einem Bereich innerhalb und um die Wand herum führen können. Dadurch können Bereiche mit nicht unterdrückten Sphaleronraten von Bereichen mit exponentiell unterdrückter Sphaleronrate getrennt werden. Dadurch werden elektroschwache Phasenübergänge erster Ordnung, wie sie in konventionellen Modellen der elektroschwachen Baryogenese erforderlich sind, vermieden. Wir zeigen außerdem, dass ein reines hypermagnetisches Eichfeld mit Zentrum innerhalb der Domänenwand induziert werden kann, das die benötigte chirale Asymmetrie erzeugen könnte. Wir präsentieren eine vereinfachte Berechnung, die die Möglichkeit demonstrieren soll, über diesen Mechanismus eine beträchtliche und angemessene Baryonenasymmetrie zu erzeugen.
Abschließend diskutieren wir, wie Domänenwände genutzt werden können, um den Parameterraum des N2HDMs über das konventionelle kosmologische Domänenwandproblem hinaus einzuschränken. Wir zeigen, dass Domänenwände den Zerfall des elektroschwachen (EW) Vakuums induzieren können. Dazu zeigen wir, dass die große Potentialbarriere, die langlebige EW-Minima vom globalen Potentialminimum trennt, innerhalb der Wand verschwinden kann. Dies kann dazu führen, dass sich das wahre Minimum innerhalb der Wand bildet und sich dann anschließend im gesamten Universum ausdehnt, was zum Zerfall des elektroschwachen Vakuums auf das globale Minimum führt. Da jedoch das globale Minimum den SM-Partikeln unterschiedliche Massen zuweist, sind solche Parameterpunkte ausgeschlossen.
Diese Mechanismen verdeutlichen die Bedeutung von Domänenwand-Konfigurationen im frühen Universum, da sie neue Möglichkeiten zur Behebung einiger Schwächen des SMs, wie beispielsweise der Materie-Antimaterie-Asymmetrie, bieten. Sie liefern außerdem neue Parameter Einschränkungen für erweiterte Higgs-Sektoren, wie beispielsweise den durch Domänenwände induzierten EW-Vakuumzerfall und die Möglichkeit, die Kosmologie des frühen Universums durch neue Wechselwirkungen zu verändern, wie beispielsweise wegen der Konfigurationen elektrischer Ladungsverletzungen.
The dissertation investigates the role of domain walls in several extensions of the Standard Model (SM) Higgs sector, such as the Two-Higgs-Doublet-Models (2HDM) and the Next-to-Two-Higgs-Doublet-Models (N2HDM). Domain walls are formed after a phase transition in the early universe if a discrete symmetry is spontaneously broken. We discuss in this thesis several aspects of these domain walls in the Higgs sector, which differ significantly from the standard domain wall solution usually discussed in the literature. This includes the discussion of the several types of domain wall solutions in the 2HDM, where CP and electric charge-violating scalar field domain wall configurations can be constructed. We also discuss some aspects of the scattering of SM fermions, such as top and bottom quarks, off these different types of domain walls. In the case of the N2HDM, we show that domain walls can be embedded in the context of electroweak baryogenesis. This is done by discussing how domain walls can lead to the electroweak symmetry restoration in a region inside and around the wall, providing a way to separate regions with unsuppressed sphaleron rates from regions where the sphaleron rate is exponentially suppressed and thus avoiding the need for first order electroweak phase transitions required in conventional models of electroweak baryogenesis. We also show that one can induce a pure gauge hypermagnetic field centered inside the domain wall that could source the needed chiral asymmetry. We provide a simplified calculation intended to demonstrate the possibility of generating a sizable and suitable amount of baryon asymmetry via this mechanism. We finally discuss how domain walls can be used to constrain the parameter space of the N2HDM beyond the conventional cosmological domain wall problem. We demonstrate that domain walls can induce electroweak (EW) vacuum decay by showing that the large potential barrier separating long-lived EW minima from the global minimum of the potential can disappear inside the wall leading to the nucleation of the true minimum inside the wall and its subsequent expansion everywhere in the universe, leading to the decay of the electroweak vacuum to the global minimum. Since the global minimum gives different masses to the SM particles, such parameter points are ruled out. These mechanisms show the importance of domain wall field configurations in the early universe, since they provide several new ways to alleviate some shortcomings of the SM, such as the matter-antimatter asymmetry. They also provide some new constraints on extended Higgs sectors, including EW vacuum decay induced by domain walls and the possibility to modify the early universe cosmology via new interactions, such as the electric charge breaking field configurations.