[논문 리뷰] The trap in the early Universe: impact on the interplay between gravitational waves and LHC physics in the 2HDM

Thomas Biekötter, S. Heinemeyer외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 두 히iggs 이중체 모형(2HDM)에서 중력파(GW) 신호와 LHC 물리 간의 상호작용을 조사하며, 초기 우주에서 진공 트랩핑이 이전에 전기약력 대칭 붕괴가 일어나는 것으로 간주되었던 1차 전기약력 상전이(FOEWPT) 영역을 심각하게 제한함을 보여준다. LISA에서 검출 가능한 GW 신호를 얻기 위해서는 매우 제약된 2HDM 매개변수 영역이 필요하며, 이는 향후 HL-LHC 힉스 검색과 힉스 자기상호작용 측정을 통해 탐색 가능할 것이며, ILC는 FOEWPT에 적합한 매개변수 영역을 보다 정밀하게 탐색할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 2HDM의 열역학적 역사 분석 및 1차 전기약력 상전이(FOEWPT), 진공 트랩핑, 전기약력 대칭 복원 불가능성과 관련된 영역 규명
• 우주의 제약 조건 하에서 2HDM에서 전기약력 비대칭 생성과 스펙트럼 중력파(GW) 생성의 가능성 평가
• 향후 LISA 중력파 관측과 HL-LHC, ILC의 직접 탐색 간의 상호작용 평가 및 2HDM에서의 새로운 물리 탐색 가능성 평가
• 재규격화 스케일 의존성에 기인한 이론적 불확실성에 대한 중력파 신호 예측의 견고성 평가

제안 방법

• 재규격화 그룹 방정식과 피ertiary 보정을 사용하여 2HDM에서 유한온도 효과적 포텐셜 구축
• 재규격화 조건 및 스케일 의존성 있는 스칼라 상호작용 계수의 변화를 적용하여 진공 안정성과 상전이 강도 평가
• 3D 효과 이론 접근법을 사용하여 LISA 검출을 위한 중력파 신호 진폭과 신호 대 잡음비(SNR) 계산
• 2HDM 매개변수 공간 전반에 걸친 전반적 스캔을 수행하여 FOEWPT, 진공 트랩핑, EW 대칭 복원 불가능성 영역 식별
• 다양한 재규격화 스케일(µ = v, v/2, 2v)에서의 중력파 신호 예측 비교를 통해 이론적 견고성 테스트
• HL-LHC와 ILC가 FOEWPT에 적합한 영역에서 힉스 보손 질량과 자기상호작용 측정에 대해 얼마나 민감한지 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LISA에서 검출 가능한 중력파 신호를 유도할 수 있는 2HDM 매개변수 공간의 어떤 영역이 존재하는가?
• RQ2 초기 우주에서의 진공 트랩핑은 이전에 전기약력 비대칭 생성에 적합하다고 여겨졌던 매개변수 영역에서 1차 전기약력 상전이를 어떻게 방지하는가?
• RQ3 HL-LHC와 ILC는 LISA에서 검출 가능할 수 있는 중력파 신호를 유도하는 2HDM 매개변수 공간의 어느 정도를 탐색할 수 있는가?
• RQ4 예측된 중력파 신호 강도는 재규격화 스케일 변화에 얼마나 민감한가? 이는 검출 가능성에 대한 결론에 영향을 미치는가?

주요 결과

• 2HDM에서의 진공 트랩핑은 이전에 전기약력 비대칭 생성에 적합하다고 여겨졌던 광범위한 매개변수 공간 영역에서 1차 전기약력 상전이를 방지한다.
• LISA에서 검출 가능할 수 있는 중력파 신호를 유도하는 매개변수 공간은 매우 제약되며, (mH, mA) 질량 평면에서 좁고 정밀하게 조정된 영역에 위치해 있다.
• HL-LHC는 검출 가능한 중력파 신호를 유도할 수 있는 2HDM 매개변수 공간의 대부분을 직접적으로 탐색할 수 있으며, 주로 2HDM 힉스 보손의 직접 탐색을 통해 이루어진다.
• ILC는 125 GeV에서의 힉스 자기상호작용 정밀 측정을 통해 HL-LHC보다 훨씬 더 큰 비율의 FOEWPT에 적합한 2HDM 매개변수 공간을 탐색할 수 있다.
• LISA 중력파 검출을 위한 예측된 신호 대 잡음비(SNR)는 재규격화 스케일 변화에 대해 견고하며, µ의 변화로 인해 검출 가능한 질량 창이 약 ~1 GeV 이내로 미미하게 이동할 뿐이다.
• 진공 트랩핑을 피하기 위한 무거운 힉스 보손(H, A, H±) 간의 최대 질량 분리도 재규격화 스케일 변화에 민감하지 않으며, 결과의 안정성을 확인한다.