电弱相变引力波和Higgs物理唯象关联性的初步研究

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对称性是现代物理学绕不开的话题,有限温下的对称性研究对于理解对称性自发破缺的动力学,特别是对早期宇宙相变的理解有重要意义。伴随着相变的发生,对称性也会发生变化。标准宇宙学模型((43)CDM)认为,宇宙开始于一个非常热的状态,在暴胀结束后,经历了重加热/预加热(reheating/preheating)过程,然后随着宇宙膨胀冷却到如今的温度。目前普遍认为,在膨胀过程中会依次发生电弱相变和量子色动力学相变(Quantum chromodynamics phase transition简称QCD相变)。相变按类型可以分为:一阶、二阶相变或者Cross-over,如果发生的是一阶相变,可能会在时空中留下可以被观测的痕迹--引力波。格点模拟指出粒子物理标准模型(Standard Model简称SM)的电弱相变是平滑的Cross-over,而许多超出粒子物理SM的新物理模型预言了电弱能标处的一阶相变。此外强一阶电弱相变(strongly first order electroweak phase transition简称SFOEWPT)还是解释宇宙中物质-反物质不对称理论的重要组成部分,并且电弱能标处的一阶相变产生的引力波可能会被未来的空间引力波探测实验(例如LISA、Taiji、Tian Qin等)所观测到。这样空间引力波探测实验可以和对撞机实验相互补充,共同为粒子物理中新物理模型提供限制条件。为了考虑额外电弱对称性破缺(extra electroweak symmetry breaking简称e EWSB)贡献对电弱相变的影响,在本文中,我们研究了Georgi-Machacek(简称GM)模型中一阶电弱相变的可行性。e EWSB有助于建立一个不同于SM的零温真空结构,从而诱导早期宇宙不同的电弱相变模式,即一步和两步SFOEWPT,但e EWSB也会受到费米常数和相关对撞机实验的约束。大型强子对撞机(Large Hadron Collider简称LHC)上Higgs信号强度的测量对SFOEWPT的可行参数空间给出了严格的限制,同时为了突出三重态标量场的真空期望值(vacuum expectation value简称VEV)对于SFOEWPT和相关Higgs物理唯象的重要性,我们引入了实标量粒子扩充的新物理模型(x SM)并研究该模型SFOEWPT和额外标量场VEV的关系,进而与GM形成对比。GM模型中同位旋二重态和同位旋三重态的混合角α~0附近,可以发生两步SFOEWPT。一步和两步SFOEWPT可以通过对撞机上对于三次Higgs耦合强度和低质量带两个电荷Higgs粒子的探测实验来区分。SFOEWPT的可行参数空间可以在未来的14 Te V LHC、高亮度LHC(High Luminosity-LHC简称HL-LHC)、国际直线对撞机(International Linear Collider简称ILC)和环形正负电子对撞机(Circular Electron-Positron Collider简称CEPC)上进行检验。我们在两个新物理模型的SFOEWPT参数空间上研究了未来对撞机探测的可能性并预言了引力波信号,进一步发现轻子对撞机上的Higgs粒子对的探测实验与引力波探测实验可以互补的探测SFOEWPT的参数空间。接着我们考虑了同时具有电弱对称性和额外离散对称性的新物理模型中的相变,而随着电弱相变的发生,离散对称性的自发破缺预言了畴壁的形成。如果在模型势能中存在一个很小但明确破缺离散对称性的项,那么畴壁将在大爆炸核合成(BBN)之前衰减。本文利用在SM上扩充一个具有Z3对称性的复标量单态场,研究了该模型的电弱相变,并讨论了SFOEWPT和畴壁衰减所产生的引力波,该引力波谱是特殊的双峰形状,波谱高频峰值处对应的是SFOEWPT的贡献,该峰值正好落在未来空间引力波探测实验(例如LISA、Taiji和Tian Qin等)的探测范围内,而畴壁衰减贡献的低频峰值却远远超出当前脉冲星计时阵列和未来的平方公里阵列的探测能力。
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