Currently, we live in an era characterized by the completion and first runs of the LHC accelerator at CERN, which is hoped to provide the first experimental hints of what lies beyond the Standard Model of particle physics. In addition, the last decade has witnessed a new dawn of cosmology, where it has truly emerged as a precision science. Largely due to the WMAP measurements of the cosmic microwave background, we now believe to have quantitative control of much of the history of our universe.
These two experimental windows offer us not only an unprecedented view of the smallest and largest structures of the universe, but also a glimpse at the very first moments in its history. At the same time, they require the theorists to focus on the fundamental challenges awaiting at the boundary of high energy particle physics and cosmology. What were the contents and properties of matter in the early universe? How is one to describe its interactions? What kind of implications do the various models of physics beyond the Standard Model have on the subsequent evolution of the universe?
In this thesis, we explore the connection between in particular supersymmetric theories and the evolution of the early universe. First, we provide the reader with a general introduction to modern day particle cosmology from two angles: on one hand by reviewing our current knowledge of the history of the early universe, and on the other hand by introducing the basics of supersymmetry and its derivatives. Subsequently, with the help of the developed tools, we direct the attention to the specific questions addressed in the three original articles that form the main scientific contents of the thesis. Each of these papers concerns a distinct cosmological problem, ranging from the generation of the matter-antimatter asymmetry to inflation, and finally to the origin or very early stage of the universe. They nevertheless share a common factor in their use of the machinery of supersymmetric theories to address open questions in the corresponding cosmological models.Hiukkasfysiikka ja kosmologia ovat havaitun maailmankaikkeuden kaikkein pienimmän ja suurimman skaalan rakenteita tutkivat fysiikan alat: hiukkasfysiikassa pyritään ymmärtämään luonnon perusosasten luonne ja vuorovaikutukset, kun taas kosmologia tutkii maailmankaikkeuden syntyhistoriaa sekä nykyistä rakennetta. Näiden kahden näennäisesti toisistaan hyvin kaukaisen alan yhtymäkohta löytyy varhaisesta maailmankaikkeudesta, jossa Big Bang -teorian mukaan universumin täytti erittäin kuuma ja tiheä hiukkaspuuro. Tämän aineen ominaisuuksien ymmärtäminen on yhtäällä välttämätöntä maailmankaikkeuden myöhemmän kehityksen ennustamiseksi, mutta toisaalta - johtuen valtavasta energiatiheydestä - vaatii myös hiukkasfysiikan syvällistä hallintaa.
Elämme tällä hetkellä ajanjaksoa, joka on niin hiukkasfysiikan kuin kosmologian kannalta ainutlaatuinen. CERN-laboratoriossa Sveitsissä on hiljattain käynnistetty kaikkien aikojen tehokkain hiukkaskiihdytin LHC, jonka toivotaan antavan ensimmäisiä viitteitä tämänhetkisen hiukkasfysiikan yleisesti hyväksytyn teoriarakennelman, ns. Standardimallin, ulkopuolisesta fysiikasta. Toisaalta viimeisten kymmenen vuoden aikana kosmologiasta on vihdoin muodostunut tarkkuustiede, kun kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn spektriä tutkivan WMAP-satelliitin tuloksista on pystytty päättelemään maailmankaikkeuden historiaa ja nykyrakennetta kuvaavia parametreja huomattavasti entistä tarkemmin.
Samalla kun kokeellisen hiukkasfysiikan ja kosmologian nopea kehitys on avaamassa aivan uudenlaisia ikkunoita maailmankaikkeuden syntyyn ja kehitykseen, se myös lähettää haasteen teoreettiselle fysiikalle: tänä päivänä on entistäkin tärkeämpää pystyä laskemaan Standardimallin ulkopuolisista teorioista seuraavia ennusteita kosmologisille parametreille. Erityisen polttavia ovat kysymykset siitä, mitä seurauksia ns. supersymmetrisillä teorioilla on varhaisen maailmankaikkeuden kehitykselle. Supersymmetrian on nimittäin otaksuttu tarjoavan vastauksen useisiin nykyfysiikan suurimmista avoimista kysymyksistä aina pimeästä aineesta ns. hierarkiaongelmaan, ja siksi sen kosmologiset implikaatiot ovatkin yksi modernin korkeaenergiafysiikan keskeisimmistä tutkimuskohteista.
Käsillä olevassa väitöskirjatyössä luodaan katsaus erilaisten supersymmetristen teorioiden ominaisuuksiin ja niiden merkitykseen varhaisen maailmankaikkeuden kehitykselle. Työ alkaa johdanto-osalla, joka luo yleiskatsauksen alaan ja johdattelee lukijan väitöskirjan kolmen alkuperäisartikkelin aihepiireihin, jotka kaikki liittyvät kosmologisten ongelmien ratkaisuun supersymmetristen kenttäteorioiden keinoin. Ensimmäisessä artikkeleista tarkastellaan erästä ratkaisua hyvin tunnettuun ns. leptonituoton ongelmaan supersymmetrisissä teorioissa, jonka avulla maailmankaikkeudessa havaittu materian ja antimaterian välinen asymmetria pyritään selittämään. Muut artikkelit puolestaan liittyvät ns. MSSM-inflaatioon sekä säiekaasukosmologiaan, joihin liittyviä käsitteellisiä ja laskennallisia ongelmia niissä ratkaistaan
