[论文解读] Inflation and Higgs Phenomenology in a Model Unifying the DFSZ Axion with the Majoron

Michael Matlis, Juhi Dutta+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 86被引用 2

一句话总结

本文提出2hdSMASH模型——一种两希格斯双重态标准模型-轴子- seesaw-希格斯门户暴胀框架，统一了DFSZ轴子暗物质、类似Majoron的中微子质量以及希格斯门户暴胀。研究表明，成功实现暴胀无需违反微正则单位性或有界性下限条件，仅需极小的单重标量自耦合常数λS ∼ 10⁻¹⁰，以及处于(v/vS)与(v/vS)²范围内的门户耦合，从而在多维场空间中实现有效的单场暴胀，并具备可检验的对撞机基准。

ABSTRACT

The Two-Higgs-Doublet-Standard Model-Axion-Seesaw-Higgs-Portal inflation (2hdSMASH) model consisting of two Higgs doublets, a Standard Model (SM) singlet complex scalar and three SM singlet right-handed neutrinos can embed axion dark matter, neutrino masses and address inflation. We report on an investigation of the inflationary aspects of 2hdSMASH and its subsequent impact on low energy phenomenology. In particular, we identify inflationary directions for which the parameter values required for successful inflation do not violate perturbative unitarity and boundedness-from-below conditions. By analyzing the renormalization-group flow of the parameters we identify the necessary and sufficient constraints for running all parameters perturbatively and maintaining stability from the electroweak to the PLANCK scale. We observe that stringent constraints arise on the singlet scalar self coupling from inflationary constraints, i.e, $λ_S\sim 10^{-10}$. Further, we find that all theoretical and experimental constraints are satisfied if the portal couplings are typically in the range $(\frac{v}{v_S})$ and $(\frac{v}{v_S})^2$ (where $v, v_S$ refer to the electroweak and singlet scalar vacuum expectation value respectively). As a consequence, inflation is realized in a variety of field space directions in the effective single field regime. Finally we provide testable benchmark scenarios at colliders.

研究动机与目标

• 研究2hdSMASH模型在暴胀一致性方面的表现，该模型是轴子暗物质、中微子质量与暴胀的统一框架。
• 确保暴胀参数满足微正则单位性与有界性下限等理论约束。
• 将暴胀动力学与低能希格斯现象学及对撞机可检验性联系起来。
• 识别出同时满足暴胀、稳定性与所有实验约束的可行参数区域。

提出的方法

• 该模型在标准模型基础上引入两个希格斯双重态、一个复单重标量（PQ标量）以及三个右手中微子，嵌入DFSZ轴子与seesaw机制。
• 通过单重标量的希格斯门户耦合实现暴胀，其有效单场行为在层级极限（vS ≫ v）下进行分析。
• 从电弱尺度到PLANCK尺度进行重整化群（RG）流分析，以确保微正则运行与稳定性。
• 在匹配尺度ms处计算阈值修正，推导出具有软性U(1)对称性破缺的低能有效ν2HDM理论。
• 采用Coleman-Weinberg势计算量子修正，并评估能量尺度上真空的稳定性。
• 构建满足所有理论、宇宙学与对撞机约束的基准点，预测LHC及未来对撞机的实验结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 2hdSMASH模型中的暴胀是否可在不违反微正则单位性或有界性下限条件的前提下实现？
• RQ2 从暴胀动力学出发，对单重标量自耦合常数λS有何约束？
• RQ3 门户耦合（λ1S, λ2S, λ12S）如何影响有效单场暴胀区域？
• RQ4 哪些参数区域能同时满足暴胀、真空稳定性与对撞机约束？
• RQ5 能否为未来对撞机实验构建可检验的基准情景？

主要发现

• 为满足暴胀约束并保持微正则单位性与有界性下限条件，单重标量自耦合常数必须极小，即λS ∼ 10⁻¹⁰。
• 门户耦合被限制在(v/vS)与(v/vS)²范围内，从而在多维场空间方向上实现有效的单场暴胀。
• 当所有理论约束均被满足时，模型从电弱尺度至PLANCK尺度均保持微正则运行与真空稳定性。
• 有效低能理论为具有软性U(1)对称性破缺的2HDM，其阈值修正通过在尺度ms处的匹配获得。
• Coleman-Weinberg势证实了在所有能量尺度上的真空稳定性，对所有相关标量、费米子与规范玻色子的量子修正均已计算。
• 提供了可检验的基准情景，对LHC及未来实验的希格斯 sector 现象学与对撞机信号具有明确预测。