Particle decay in the early universe

Abstract

Particle decay processes have deep and profound implications in cosmology and especially on various early universe particle processes. Common decay rates, which may be experimentally verifed e.g., in particle accelerators, are calculated using a theory which relies on Einstein’s theory of special relativity thereby neglecting gravity which is contained in the general theory of relativity. The early universe is, however, a place where the curvature of the spacetime cannot be neglected anymore. Hence, the fat space quantum feld theory becomes only an approximation and of limited applicability. A more precise picture which includes the role of gravity forces one to view things more generally from the perspective of quantum feld theory in curved spacetime. As a result, particle decay rates, cross sections and lifetimes may be modifed from the common decay rates obtained from fat spacetime theory.

The aim of this thesis is to investigate how the known fat space decay rates are modifed in the presence of a gravitational feld and what implica¬tions these have on early universe particle processes. Using quantum feld theory in curved spactime and a conceptually clear method for calculating decay rates in curved spacetime, the decay of a massive scalar is studied in a realistic and cosmologically relevant scenarios in an expanding universe. The results have signifcance when studying early universe cosmological situations but also as the cosmological data and measurements become in¬creasingly more accurate, there might arise a necessity in the future to include the e˙ects of curved spacetime also in particle decay rates.

Hiukkasten hajoamisprosesseilla on syvällisiä ja perustavanlaatuisia seurauksia kosmologiassa ja erityisesti varhaisen maailmankaikkeuden hiukkasprosesseissa. Tavanomaiset hajoamisnopeudet, joita voidaan esimerkiksi hiukkaskiihdyttimissä kokeellisesti todentaa, ovat laskettu käyttäen teoriaa joka nojautuu Einsteinin erityiseen suhteellisuusteoriaan jättäen näin huomioimatta painovoiman, joka sisältyy yleiseen suhteellisuusteoriaan. Varhainen maailmankaikkeus on kuitenkin paikka, jossa avaruusajan kaarevuutta ei voida enää jättää huomioimatta. Tällöin tavanomainen litteän (laakean) avaruuden kvanttikenttäteoria on vain approksimaatio ja sen käyttö rajallista. Tarkempi kuvaus ja painovoiman roolin huomioiminen pakottaakin tarkastelemaan asioita laajemmin kaarevan avaruuden kvanttikenttäteorian näkökulmasta. Tämän seurauksena hiukkasten hajoamisnopeudet, vaikutusalat ja eliniät saattavat kuitenkin muuttua tavanomaisista litteän avaruuden teoriasta saaduista tuloksista.

Tämän väitöskirjan tarkoitus on tutkia miten tunnetut litteän avaruu¬den hajoamisnopeudet muuttuvat painovoiman vaikutuksen alaisena ja mitä seurauksia tällä on varhaisen maailmankaikkeuden hiukkasprosesseihin. Käyttämällä kaarevan avaruuden kvanttikenttäteoriaa ja käsitteellisesti selkeää tapaa laskea hajoamisnopeuksia kaarevassa avaruudessa, massiivisen skalaarihiukkasen hajoamista on tarkasteltu realistisissa ja kosmologisesti merkityksellisissä skenaarioissa avaruuden laajetessa. Tuloksilla on merkitystä tutkittaessa varhaisen maailmankaikkeuden kosmologisia tapahtumia mutta myös kosmologisen datan ja mittausten tullessa yhä tarkemmiksi, voi tulevaisuudessa syntyä tarve ottaa huomioon myös kaarevan avaruuden seuraukset hiukkasten hajoamisnopeuksiin.