[論文レビュー] The trap in the early Universe: impact on the interplay between gravitational waves and LHC physics in the 2HDM

Thomas Biekötter, S. Heinemeyer+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、2HDM（2Higgs-Doublet Model）における重力波（GW）信号とLHC物理学の相互作用を調査し、初期宇宙における真空の固定が、電弱対称性の一次相転移（FOEWPT）を示すとされていた領域を著しく制限することを示している。LISAで検出可能なGW信号を得るには、2HDMのパrameter空間が極めて制限された領域に限定され、その領域はHL-LHCのヒッグス探索とヒッグス自己結合定数の測定によって探査可能であり、ILCはFOEWPTと整合するパラメータ空間をより高い精度で探査できる。

ABSTRACT

We analyze the thermal history of the 2HDM and determine the parameter regions featuring a first-order electroweak phase transition (FOEWPT) and also much less studied phenomena like high-temperature electroweak (EW) symmetry non-restoration and the possibility of vacuum trapping (i.e. the Universe remains trapped in an EW-symmetric vacuum throughout the cosmological evolution, despite at $T=0$ the EW breaking vacuum is deeper). We show that the presence of vacuum trapping impedes a first-order EW phase transition in 2HDM parameter-space regions previously considered suitable for the realization of electroweak baryogenesis. Focusing then on the regions that do feature such a first-order transition, we show that the 2HDM parameter space that would yield a stochastic gravitational wave signal potentially detectable by the future LISA observatory is very contrived, and will be well probed by direct searches of 2HDM Higgs bosons at the HL-LHC, and (possibly) also via measurements of the self-coupling of the Higgs boson at 125 GeV. This has an important impact on the interplay between LISA and the LHC regarding the exploration of first-order phase transition scenarios in the 2HDM: the absence of new physics indications at the HL-LHC would severely limit the prospects of a detection by LISA. Finally, we demonstrate that as a consequence of the predicted enhancement of the self-coupling of the Higgs boson at 125 GeV the ILC would be able to probe the majority of the 2HDM parameter space yielding a FOEWPT through measurements of the self-coupling, with a large improvement in precision with respect to the HL-LHC.

研究の動機と目的

• 2HDMの熱的歴史を分析し、一次相転移（FOEWPT）、真空の固定、電弱対称性の非回復領域を同定する。
• 宇宙論的制約のもとで、2HDMにおける電弱ビアロジーネシスと確率的重力波（GW）生成の妥当性を評価する。
• 将来のLISA GW観測とHL-LHCおよびILCにおける直接探索の相互作用を、2HDMにおける新しい物理学の観点から評価する。
• 理論的不確実性（ローレンツスケール依存性）に対するGW信号予測の頑健性を特定する。

提案手法

• 摂動的補正とランゲルギン群方程式を用いて、2HDMにおける有限温度有効ポテンシャルを構築する。
• ランゲルギン条件とスケール依存のスカラー結合定数の走査を適用し、真空安定性と相転移の強度を評価する。
• 3次元有効理論アプローチを用いて、LISA検出のためのGW信号振幅と信号対雑音比（SNR）を計算する。
• 2HDMパラメータ空間のグローバルスキャンを実施し、FOEWPT、真空の固定、電弱対称性の非回復領域を同定する。
• 異なるランゲルギンスケール（µ = v, v/2, 2v）におけるGW信号予測を比較し、理論的頑健性をテストする。
• HL-LHCとILCが、FOEWPTと整合する領域におけるヒッグス粒子質量と自己結合定数をどれだけ探査できるかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの2HDMパラメータ空間領域が、LISAで検出可能な重力波信号と整合する一次相転移（FOEWPT）を示すか？
• RQ2 初期宇宙における真空の固定は、電弱ビアロジーネシスに適しているとされていたパラメータ領域で、なぜFOEWPTを妨げるのか？
• RQ3 HL-LHCとILCは、LISAで検出可能なGW信号を発生させる可能性がある2HDMパラメータ空間のどの程度を探査できるか？
• RQ4 予測されたGW信号強度は、ランゲルギンスケールの変化に対してどの程度感度を示し、検出可能性に関する結論に影響を与えるか？

主な発見

• 2HDMにおける真空の固定は、電弱ビアロジーネシスに適しているとされていたパラメータ空間の広い領域で、一次相転移を妨げる。
• LISAで検出可能な重力波信号を発生させるパラメータ空間は極めて制限されており、(mH, mA)質量平面の狭く繊細に調整された領域に位置する。
• HL-LHCは、検出可能なGW信号を発生させる可能性がある2HDMパラメータ空間の大部分を、主に2HDMヒッグス粒子の直接探索によって探査できる。
• ILCは、125 GeVにおけるヒッグス自己結合定数の精密測定により、HL-LHCよりもはるかに広い範囲のFOEWPTと整合する2HDMパラメータ空間を探査できる。
• LISAにおけるGW検出のための信号対雑音比（SNR）の予測は、ランゲルギンスケールの変化に対して頑健であり、µの変化による検出可能な質量窓の変動はわずか（約1 GeV以内）にとどまる。
• 真空の固定を避けるために許容される重ヒッグス粒子（H, A, H±）間の最大質量差も、ランゲルギンスケールの変化に対して不変であり、結果の安定性が確認された。