[论文解读] Baryon asymmetry and detectable Gravitational Waves from Electroweak phase transition

Ruiyu Zhou, Ligong Bian|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2020

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 76被引用 4

一句话总结

本文研究了两种希格斯双重态模型（2HDM）是否能同时解释宇宙中观测到的重子不对称性，并在电弱相变期间产生可探测的引力波。研究发现，类型-I和类型-II 2HDM中的非局部重子不对称性机制由于理论和实验约束而失败，但考虑电子电偶极矩限制下具有CP破坏的局部重子不对称性，可成功生成重子不对称性与可观测的引力波。

ABSTRACT

We study the possibility of achieving baryon asymmetry explanation and detectable gravitational wave from the Electroweak phase transition with two Higgs doublet models. With the type-I and type-II 2HDM, we found that it is hard to account for the observed baryon asymmetry of the Universe with the non-local Electroweak baryogenesis, and current theoretical and experimental bounds make most parameter spaces fail to produce detectable gravitational waves. We find that it is possible to address baryon asymmetry of the Universe and predict detectable gravitational wave during the phase transition with local Electroweak baryogengesis after considering the CP-violation magnitude allowed by the current electron electric dipole moment measurements.

研究动机与目标

• 探讨两种希格斯双重态模型（2HDM）是否能同时解释观测到的重子不对称性，并在电弱相变期间产生可探测的引力波。
• 评估在当前理论与实验约束下，类型-I和类型-II 2HDM中非局部电弱重子不对称性的可行性。
• 确定在符合电子电偶极矩测量结果的CP破坏条件下，局部电弱重子不对称性是否能同时产生重子不对称性与可观测的引力波信号。
• 识别满足宇宙学与引力波探测标准的2HDM参数空间。

提出的方法

• 利用有效场论与有限温度场论技术，分析类型-I和类型-II 2HDM中的电弱相变。
• 评估通过非局部与局部机制实现的重子不对称性，重点研究希格斯 sector 中的CP破坏相互作用。
• 应用来自电子电偶极矩（EDM）测量的约束，以限制模型中CP破坏的大小。
• 利用一阶有效势与气泡壁动力学，计算相变期间的引力波谱。
• 将预测的引力波振幅与未来探测器（如LISA和爱因斯坦望远镜）的灵敏度曲线进行比较。
• 绘制出同时满足重子不对称性与可探测引力波的可行参数区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前约束下，类型-I和类型-II 2HDM能否通过非局部电弱重子不对称性产生足够的重子不对称性？
• RQ2 理论与实验约束在多大程度上限制了2HDM中可探测引力波的参数空间？
• RQ3 在2HDM中，局部电弱重子不对称性是否能够同时产生观测到的重子不对称性与可观测的引力波信号？
• RQ4 电子EDM约束对2HDM中CP破坏相互作用在重子不对称性与引力波产生中的可行性有何影响？
• RQ5 2HDM参数空间的哪些区域可实现重子不对称性与可探测引力波的同时存在？

主要发现

• 由于严格的理论与实验约束，类型-I和类型-II 2HDM中的非局部电弱重子不对称性无法产生观测到的重子不对称性。
• 类型-I和类型-II 2HDM中的大多数参数空间无法产生可探测的引力波，这是由于电弱精确测试与EDM测量的限制。
• 在电子EDM限制范围内的CP破坏条件下，局部电弱重子不对称性成功产生了观测到的重子不对称性。
• 2HDM中相同的CP破坏参数区域可产生振幅足以被未来空间基与地面基干涉仪探测到的引力波信号。
• 只有在考虑局部重子不对称性且CP破坏受EDM数据约束时，2HDM中重子不对称性与可探测引力波才能共存。
• 本研究识别出2HDM中一个狭窄但可行的参数窗口，其中宇宙学与引力波观测结果均与观测一致。