Dynamics of bubble walls in cosmological first-order phase transitions

Prędkość osiągana przez ściany bąbli w kosmologicznych przemianach fazowych pierwszego rodzaju jest istotnym parametrem wpływającym zarówno na widmo pierwotnych fal grawitacyjnych, jak i na efektywność generacji asymetrii barionowej w modelach bariogenezy elektrosłabej. W niniejszej rozprawie podsumowujemy nasze wysiłki mające na celu lepsze zrozumienie wpływu wczesnych etapów wzrostu bąbli na ich późniejsze zachowanie. W tym celu opracowaliśmy kod numeryczny umożliwiający analizę ewolucji czasowej rosnących bąbli oraz badanie sposobu, w jaki ich ściany osiągają stany stacjonarne. W pierwszej kolejności skupiamy się na przybliżeniu lokalnej równowagi termicznej, dla którego potwierdziliśmy, że czysto hydrodynamiczne sprzężenie zwrotne może prowadzić do osiągnięcia stanu ustalonego. W takich przypadkach prędkość ściany bąbla jest zgodna z dostępnymi w literaturze oszacowaniami analitycznymi. Niemniej jednak, nie jest to typowy scenariusz. W wielu realistycznych przypadkach dynamika bezpośrednio po nukleacji pozwala ścianom bąbli osiągać prędkości naddźwiękowe, zanim wytworzy się odpowiednia otoczka podgrzanej plazmy poprzedzająca ścianę. Prowadzi to wówczas do tzw. ucieczki ściany (ang. runaway). Aby uchwycić ten efekt, uogólniamy podejście analityczne poza reżim lokalnej równowagi termicznej. Wprowadzamy jakościowe kryterium, pozwalające rozróżnić tryby ekspansji oraz określić, który z nich jest realizowany w danym przypadku. Wynik ten odgrywa kluczową rolę w ocenie wpływu przemiany fazowej na obserwacje kosmologiczne.

Terminal velocity reached by bubble walls in cosmological first-order phase transitions is an important parameter determining both primordial gravitational wave spectrum and the production of baryon asymmetry in models of electroweak baryogenesis. In this dissertation, we summarize our efforts to better understand the impact of the early stages of bubble growth on its final fate. To this end, we developed a dedicated numerical code to study the real-time evolution of expanding bubbles and investigate how their walls approach stationary configurations. We first focus on the approximation of local thermal equilibrium, within which we confirm that pure hydrodynamic backreaction can lead to SteadyState expansion. In such cases, the resulting bubble-wall velocity agrees very well with analytic estimates known in the literature. However, this outcome is not generic. In many realistic scenarios, the early-stage dynamics following bubble nucleation allow walls to accelerate to supersonic speeds before a sufficient thermal shell can form in front of the wall. This often results in a runaway behaviour. To account for this effect, we extend the analytical framework beyond the LTE regime. We identify a qualitative criterion that distinguishes between different modes of bubble wall propagation and determines which is physically realized in a given situation. This distinction is crucial for reliably assessing the cosmological consequences of first-order phase transitions.