Universität zu Köln

Vardanyan, Tatevik ORCID: 0000-0001-5992-3844 (2025). Exploring Matter-Antimatter Asymmetry in a Rotating Universe. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

This thesis investigates the potential role of spatial anisotropies and global rotation in addressing the observed matter-antimatter asymmetry in the universe. The standard cosmological model, ΛCDM, faces several unresolved puzzles, in- cluding CMB anomalies, dark matter, and the matter-antimatter asymmetry. The CMB anomalies suggest deviations from isotropy, prompting the exploration of more general anisotropic models. Additionally, current solutions to dark matter and matter- antimatter asymmetry imply the need for extensions beyond the Standard Model. Given these issues, it is crucial to question the accuracy of the FLRW geometry in ΛCDM. This thesis explores the rotating Bianchi IX universe, motivated by the BKL conjecture and the potential role of global rotation in cosmological angular momentum generation, in an effort to investigate the anisotropic effects of geometry on the particle spectrum. The Weyl and Dirac spinor fields are studied within the Bianchi IX universe, con- sidering a range of models, from the axisymmetric Bianchi IX universe to the more general rotating Bianchi IX model. The Hamiltonian for spinor fields in this back- ground is formulated, and the corresponding equations of motion for Weyl and Dirac spinors are derived. The field equations are solved in a fixed background as an initial step toward understanding the particle spectrum in such spacetimes. This approach sets the stage for future refinements using the adiabatic approximation and the WKB approximation. Generalized spinor spherical harmonics are obtained using analogies with the asymmetric “ideal” top. Building on previous work on the diagonal Bianchi IX model, we generalize this approach for spinor fields in a broader Bianchi IX framework. Our work builds on earlier studies of Weyl spinors and the phenomenon of level crossing, which results in the creation of neutrinos instead of antineutrinos in an ax- isymmetric Bianchi IX universe as the universe evolves toward isotropy. We extend this analysis to a broader class of models, examining how these effects manifest in more general rotating and anisotropic cosmological backgrounds. While Weyl fermions do not describe neutrinos in nature, the mathematical framework developed here is useful for analyzing the Dirac equations in this context. For Dirac fermions in the axisymmetric Bianchi IX model, we find that the energy spectrum is significantly influenced by the spin orientation, resulting in spin-dependent enhancements or suppressions for both particles and antiparticles. The inclusion of global rotation introduces further contributions due to the coupling between particle spin and the universe’s rotational motion. Specifically, rotational contributions to the energyspectrumcauseenergyshiftswithoppositeeffectsforparticlesandantiparticles. Depending on the alignment of the spin with the universe’s rotation, energy levels are either increased or decreased, leading to complex modifications in the energy structure. This spin-angular velocity coupling uncovers previously unexplored mechanisms that could contribute to the observed asymmetry between matter and antimatter—effects absent in homogeneous and isotropic models. Therefore, these results underscore the importance of background anisotropies in the search for an explanation of the matter-antimatter asymmetry and encourage fur- ther investigation in this direction. The next logical step in this research is to solve the equations in a time-dependent background, beginning with the adiabatic approx- imation and later employing the WKB approximation to account for more realistic conditions. Furthermore, the analysis could be extended to include interactions within quantum electrodynamics (QED), enabling the exploration of whether these geomet- ric effects influence particle creation and annihilation processes. These efforts could provide valuable insights into the role of geometric effects in fundamental interactions, contributing to our understanding of the mechanisms driving the matter-antimatter asymmetry in the Universe.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language DieseDissertationuntersuchtdiepotenzielleRollevonräumlichenAnisotropienund globaler Rotation im Universum zur Erklärung der beobachteten Materie-Antimaterie- Asymmetrie. Das Standard-Kosmologiemodell, ΛCDM, steht vor mehreren ungelösten Rätseln, einschließlich Anomalien im kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB), dunkler Ma- terie und der Materie-Antimaterie-Asymmetrie. Die CMB-Anomalien deuten auf Ab- weichungen von der Isotropie hin, was die Untersuchung allgemeinerer anisotroper Modelle anregt. Darüber hinaus implizieren die aktuellen Lösungen für dunkle Ma- terie und Materie-Antimaterie-Asymmetrie die Notwendigkeit von Erweiterungen über das Standardmodell hinaus. Angesichts dieser Probleme ist es entscheidend, die Genauigkeit der FLRW-Geometrie im Rahmen von ΛCDM zu hinterfragen. Diese Dissertation untersucht das rotierende Bianchi-IX-Universum, das durch die BKL- Vermutung und die potenzielle Rolle der globalen Rotation in der Erzeugung von kos- mologischem Drehimpuls motiviert ist, um die anisotropen Effekte der Geometrie auf das Teilchenspektrum zu untersuchen. Die Weyl- und Dirac-Spinorfelder werden im Kontext des Bianchi-IX-Universums untersucht. Es wird eine Reihe von Modellen betrachtet, vom achsensymmetrischen Bianchi-IX-Universum bis hin zum allgemeineren rotierenden Bianchi-IX-Modell. Der Hamiltonoperator für Spinorfelder in diesem Hintergrund wird formuliert, und die entsprechenden Bewegungsgleichungen für Weyl- und Dirac-Spinoren werden abgeleitet. Die Feldgleichungen werden in einem festen Hintergrund als erster Schritt zur Untersuchung des Teilchenspektrums in solchen Raumzeiten gelöst. Dieser Ansatz bildet die Grundlage für zukünftige Verfeinerungen unter Verwendung der adiabati- schen Näherung und der WKB-Näherung. Verallgemeinerte spinorische sphärische Harmonien werden unter Verwendung von Analogien mit dem asymmetrischen „ide- alen“ Kegel erhalten. Aufbauend auf früheren Arbeiten zum diagonalen Bianchi-IX- Modell verallgemeinern wir diesen Ansatz für Spinorfelder in einem breiteren Bianchi- IX-Rahmen. Unsere Arbeit baut auf früheren Studien von Weyl-Spinoren und dem Phänomen des Levelcrossings auf, das zur Entstehung von Neutrinos anstelle von Antineutrinos in einem achsensymmetrischen Bianchi-IX-Universum führt, während sich das Universum in Richtung Isotropie entwickelt. Wir erweitern diese Analyse auf eine breitere Klasse von Modellen und untersuchen, wie diese Effekte in allgemeineren rotierenden und anisotropen kosmologischen Hintergründen auftreten. Während Weyl-Fermionen in der Natur keine Neutrinos beschreiben, ist der hier entwickelte mathematische Rahmen nützlich, um die Dirac-Gleichungen in diesem Kontext zu analysieren. Für Dirac-Fermionen im achsensymmetrischen Bianchi-IX-Modell stellen wir fest, dass das Energiespektrum erheblich von der Spinorientierung beeinflusst wird, was zu spinabhängigen Verstärkungen oder Abschwächungen sowohl für Teilchen als auch für Antiteilchen führt. Die Einbeziehung globaler Rotation führt zu weiteren Beiträgen aufgrund der Kopplung zwischen Teilchenspin und der Rotationsbewegung des Uni- versums. Insbesondere verursachen die rotatorischen Beiträge zum Energiespektrum EnergieverschiebungenmitgegensätzlichenEffektenfürTeilchenundAntiteilchen. Ab- hängig von der Ausrichtung des Spins mit der Rotation des Universums werden die Energieniveaus entweder erhöht oder verringert, was zu komplexen Änderungen in der Energiestruktur führt. Diese Kopplung von Spin und Winkelgeschwindigkeit zeigt bislang unerforschte Mechanismen auf, die zur beobachteten Asymmetrie zwischen Ma- terie und Antimaterie im Universum beitragen könnten – Effekte, die in homogenen und isotropen Modellen fehlen. Daher unterstreichen diese Ergebnisse die Bedeutung von Hintergrundanisotropien in der Suche nach einer Erklärung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie und regen zu weiteren Untersuchungen in diese Richtung an. Der nächste logische Schritt in dieser Forschung besteht darin, die Gleichungen in einem zeitabhängigen Hintergrund zu lösen, beginnend mit der adiabatischen Näherung und später unter Verwendung der WKB-Näherung, um realistischere Bedingungen zu berücksichtigen. Darüber hin- aus könnte die Analyse auf die Einbeziehung von Wechselwirkungen im Rahmen der Quanten-Elektrodynamik (QED) ausgeweitet werden, um zu untersuchen, ob diese ge- ometrischen Effekte die Erzeugung und Vernichtung von Teilchen beeinflussen. Diese Bemühungen könnten wertvolle Einblicke in die Rolle geometrischer Effekte in funda- mentalen Wechselwirkungen bieten und unser Verständnis der Mechanismen erweitern, welche die Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum antreiben. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Vardanyan, Tatevik tatevikvardanyan03@gmail.com orcid.org/0000-0001-5992-3844 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-785020
Date:	3 April 2025
Publisher:	University of Cologne
Place of Publication:	Cologne, Germany
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Theoretical Physics
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language General Relativity English Particle Physics English Quantum Field Theory in curved spacetime English
Date of oral exam:	17 June 2025
Referee:	Name Academic Title Kiefer, Claus Prof. Dr. Callebaut, Nele Jun. Prof. Dr. Kamenshchik, Alexander Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/78502