Kurzfassung
Trotz seiner herausragenden phänomenologischen Erfolge weist das Standardmodell der Teilchenphysik einige gravierende Mängel auf. In dieser Arbeit befasse ich mich mit einigen der auffälligsten davon. Insbesondere stelle ich einen Formalismus vor, der potenziell das Problem der Materie-Antimaterie-Asymmetrie, des Ursprungs der Flavourstruktur sowie das Hierarchieproblem lösen kann. Die Hauptidee besteht darin, eine dynamische Lösung des Flavourpuzzles mit der elektroschwachen Skala zu verknüpfen, indem die Yukawa-Kopplungen zu dynamischen Variablen gemacht werden. So können diese in der UV-Theorie generisch und Grössenordnung eins sein, während sie in der niederenergetischen effektiven Theorie, dem Standardmodell, hierarchische Werte erhalten. Ich zeige, dass wenn eine dynamische Änderung der Yukawa-Kopplungen während des elektroschwachen Phasenübergangs stattfindet, eine CP-verletzende Kraft entsteht, die stark genug ist, um die Baryonenasymmetrie des Universums durch den Mechanismus der elektroschwachen Baryogenese zu erzeugen. Ich stelle den nötigen Formalismus vor um die Baryonasymmetrie zu bestimmen und untersuche seine Eigenschaften in einem modellunabhängigen Ansatz. Ich wende den Formalismus auch auf spezifische niederenergetische Flavourtheorien an.
In einem zweiten Teil motiviere ich eine konkrete Umsetzung dieser Idee im Kontext von Composite-Higgs-Modellen, in denen das Higgs Boson als Pseudo-Nambu-Goldstone-Boson einer ungefähren, globalen Symmetrie eines neuen stark wechselwirkenden Sektors entsteht. In diesen Modellen kann die Flavourstruktur durch elementare Fermionen erklärt werden, welche mit zusammengesetzten Teilchen des neuen Sektors mischen. Die Hierarchie in den Yukawa-Kopplungen wird durch das, über die Renormierungsgruppe bestimmte, Laufen der Mischungsparameter zwischen elementaren und zusammengesetzen Fermionen von der UV-Skala bis zu den niedrigen Energieskalen des Standardmodells erzeugt. Die gegenwärtigen Yukawa-Kopplungen werden durch die Werte der Mischungsparameter bei der Confinement'-skala bestimmt.
Ich untersuche den elektroschwachen Phasenübergang dieser Modelle, wobei ich mich zum ersten Mal auf den Fall konzentriere, in dem der Confinement-Phasenübergang gleichzeitig mit dem elektroschwachen Phasenübergang stattfindet. Der Confinement-Phasenübergang kann aufgrund der nahezu konformen Natur der stark gekoppelten Theorie generisch erster Ordnung sein. In einem gemeinsamen einstufigen Phasenübergang der elektroschwachen Theorie und des neuen Sektors ist der elektroschwache Phasenübergang daher ebenfalls generisch stark erster Ordnung. Dies tritt bei minimalen Composite-Higgs-Modellen auf und erfordert daher nicht die Einführung neuer Singlets oder höherdimensionaler Operatoren. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Modelle besteht darin, dass die Yukawa-Kopplungen während des Confinement-Phasenübergangs generisch variieren, da sie durch die Werte der Mischungen bei der Confinementskala festgelegt werden.
Darüber hinaus wird das Higgs-Potential durch das explizite Brechen der spontan gebrochenen globalen Symmetrie des neuen stark wechselwirkenden Sektors erzeugt. Dieses explizite Brechen kommt von den Mischungen zwischen elementaren und zusammengesetzten Fermionen, also von dem gleichen Mechanismus, der für die Flavourstruktur verantwortlich ist. Dies unterstreicht das sehr enge Wechselspiel zwischen Flavour und elektroschwacher Symmetriebrechung und macht die Composite-Higgs-Modelle mit elementaren Fermionen die mit zusammengesetzen Fermionen mischen zu einem idealen Testgebiet für das Studium kosmologischer Implikationen von Flavourtheorien.
Ich zeige, dass diese Modelle phänomenologisch erlaubt sind und lege die möglichen experimentellen Tests in Beschleuniger-Experimenten, in niederenergetischen Präzisionsmessungen des elektrischen Dipolmoments und im stochastischen Gravitationswellenhintergrund dar.
Despite its outstanding phenomenological successes, the Standard Model of particle physics has a number of severe shortcomings. In this thesis, I address some of the most striking of these. In particular, I propose a framework that can potentially solve the problem of the matter-antimatter asymmetry, the origin of the flavour structure, as well as the hierarchy problem. The main idea is to link a dynamical solution of the flavour puzzle to the electroweak scale by promoting the Yukawa couplings to dynamical variables. In this context, Yukawas can be generic and of order one in the UV theory, whereas in the low energy effective theory, the Standard Model, they acquire hierarchical values. I show that, if a dynamical change of the Yukawa couplings takes place during the electroweak phase transition (EWPT), a CP-violating force arises that is strong enough to generate the baryon asymmetry of the universe through the mechanism of electroweak baryogenesis. I introduce the computational framework to determine the baryon asymmetry and study its characteristics in a model-independent approach. I also apply the formalism to specific low-scale flavour theories. In a second part, I motivate a concrete realization of this framework in the context of composite Higgs models where the Higgs emerges as a pseudo-Nambu-Goldstone boson of an approximate global symmetry of a new strongly interacting sector. In these models, the flavour structure can be explained by partially composite elementary fermions. The hierarchy in the Yukawa couplings is then generated by the renormalization group running of the mixing parameters between elementary and composite fermions, from the UV scale down to the low energy scales of the Standard Model. The present Yukawa couplings are determined by the values of the mixing parameters at the confinement scale. I study the EWPT of these models, focusing for the first time on the case where the confinement phase transition is happening at the same time as the EWPT. The confinement phase transition can be naturally first-order due to the nearly-conformal nature of the strongly coupled theory. In a joint, one-step confinement-electroweak phase transition, the EWPT is therefore naturally strongly first-order too. We show that this occurs in minimal composite Higgs models and does not require the introduction of any new singlets or higher dimensional operators. An added benefit of this description is that the Yukawa couplings are naturally varying during the confinement phase transition, as they are set by the values of the mixings at the confinement scale. Moreover, the Higgs potential is generated due to the explicit breaking of the spontaneously broken global symmetry of the new strongly interacting sector. This explicit breaking comes from the elementary-composite mixings, hence from the same mechanism that is responsible for the flavour structure. This highlights the very tight interplay between flavour and electroweak symmetry breaking, making composite Higgs models with partially composite fermions an ideal laboratory for the study of cosmological implications of flavour theories. I show that these models are phenomenologically viable and lay out the possible experimental tests in collider experiments, in low energy precision EDM measurements and in the stochastic gravitational wave background.