[论文解读] 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 5

一句话总结

本文研究了在双 Higgs 双生模型（2HDM）中引力波（GW）信号与大型强子对撞机（LHC）物理之间的相互作用，表明早期宇宙中的真空束缚严重限制了具有的一阶电弱相变（FOEWPT）的区域——这些区域此前被认为适合电弱重子生成和引力波产生。研究发现，LISA 检测到可探测的 GW 信号需要高度受限的 2HDM 参数区域，这些区域将通过 HL-LHC 的 Higgs 搜索和 Higgs 自耦合测量进行探测，而国际线性对撞机（ILC）则能以更高的精度探测与 FOEWPT 兼容的参数空间。

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.

研究动机与目标

• 分析 2HDM 的热历史，识别具有第一阶电弱相变（FOEWPT）、真空束缚以及电弱对称性不恢复的区域。
• 在宇宙学约束下，评估电弱重子生成和随机引力波（GW）产生在 2HDM 中的可行性。
• 评估未来 LISA 引力波观测与 HL-LHC 和 ILC 对新物理探测之间的相互作用。
• 确定引力波信号预测对规范标度依赖性理论不确定性的鲁棒性。

提出的方法

• 使用跑动方程和微扰修正构建 2HDM 中有限温度的有效势。
• 应用规范条件和标量耦合的标度依赖性跑动，以评估真空稳定性和相变强度。
• 采用三维有效理论方法计算 LISA 检测的引力波信号幅度和信噪比（SNR）。
• 对 2HDM 参数空间进行全面扫描，以识别具有 FOEWPT、真空束缚和电弱对称性不恢复的区域。
• 比较不同规范标度（µ = v, v/2, 2v）下的引力波信号预测，以检验理论鲁棒性。
• 评估 HL-LHC 和 ILC 对 FOEWPT 兼容区域内 Higgs 粒子质量与自耦合的探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 2HDM 参数空间中的哪些区域具有与 LISA 可探测引力波信号相容的第一阶电弱相变（FOEWPT）？
• RQ2 早期宇宙中的真空束缚如何阻止此前被认为适合电弱重子生成的参数区域发生 FOEWPT？
• RQ3 HL-LHC 和 ILC 在多大程度上能够探测到产生 LISA 可能探测到的引力波信号的 2HDM 参数空间？
• RQ4 预测的引力波信号强度对规范标度变化的敏感性如何？这是否会影响关于可探测性的结论？

主要发现

• 2HDM 中的真空束缚阻止了此前被认为适合电弱重子生成的参数空间大区域发生第一阶电弱相变。
• 产生 LISA 可探测引力波信号的参数空间高度受限，位于 (mH, mA) 质量平面中的狭窄、精细调节区域。
• HL-LHC 将通过直接搜索 2HDM Higgs 粒子，探测到大部分可能产生可探测引力波信号的 2HDM 参数空间。
• 与 HL-LHC 相比，ILC 通过在 125 GeV 精确测量 Higgs 自耦合，能够探测到更大比例的与 FOEWPT 兼容的 2HDM 参数空间。
• LISA 引力波检测的预测信噪比（SNR）对规范标度变化具有鲁棒性，µ 的变化仅在可探测质量窗口内引起微小偏移（约 1 GeV 以内）。
• 避免真空束缚的最大重 Higgs 粒子（H, A, H±）质量分裂也对规范标度变化不敏感，证实了结果的稳定性。