Strongly First Order Phase Transitions and The Possibility of Electroweak Baryogenesis in General Two-Higgs-Doublet Models

Abstract

The possibility to have a strongly first order electroweak phase transition, which is one of the Sakharov conditions for electroweak baryogenesis together with $\mathcal{CP}$ violation and baryon number violation, in general Two-Higgs-Doublet Models (2HDMs) is here investigated. Different kinds of $\mathbb{Z}_{2}$ breaking beyond standard assumptions are studied, in particular by allowing it to be completely broken as well as by assuming it to be only approximately preserved in the Yukawa sector. Throughout the study a 1-loop thermally corrected effective potential is used.

Parameter space scans are performed for several kinds of 2HDMs and experimental constraints from Higgs physics, flavour physics, electroweak physics and searches for electric dipole moments of the electron, neutron, mercury and radium are imposed. Also theoretical constraints are taken into account, in particular tree level unitarity, perturbativity and positivity as well as demanding that the tree level minimum of the potential is global. As a starting point $\mathcal{CP}$ conserving models are considered, but after that also $\mathcal{CP}$ violating models (which are relevant for electroweak baryogenesis) are investigated.

It is found that a reasonable amount of points satisfy all imposed constraints for both $\mathcal{CP}$ conserving and $\mathcal{CP}$ violating models, and that the average strength of a phase transition increases when $\mathcal{CP}$ violation is added, as favoured by the Sakharov conditions. The $\mathcal{CP}$ violating models with only soft $\mathbb{Z}_{2}$ breaking are seen to more easily satisfy the imposed constraints than those with a completely broken $\mathbb{Z}_{2}$ symmetry. In the models with only an approximate $\mathbb{Z}_{2}$ symmetry in the Yukawa sector no difference can be seen when non-diagonal perturbations, as compared to the case of only having diagonal ones, are allowed. It is observed that the electroweak constraints in general require small squared mass differences between the scalar particles, and that the constraints from electric dipole moment searches are the most constraining ones. Finally, it is found that low $\tan \beta$ is generally preferred by all imposed constraints, thus making the picture consistent, and, as is known from the generation of a baryon asymmetry, low $\tan \beta$ is also favoured since the asymmetry $n_{B}\sim \cot ^{2}\beta$. Hence it is concluded that there indeed is hope for 2HDMs to explain the observed baryon asymmetry of the Universe through electroweak baryogenesis.

Popular Abstract (Swedish)

Vad har egentligen kokande vatten, Higgspartikeln och det faktum att någonting snarare än ingenting existerar gemensamt? Jo, om vi tittar ut i universum och jämför mängden vanlig materia, d.v.s. materia bestående av partiklar så som protoner och neutroner, med mängden s.k. antimateria (materiens nemesis i den bemärkelse att dessa förgör varandra vid kontakt och som med god anledning därför har fått prefixet anti-), visar det sig att det väsentligen inte finns någon antimateria alls. För gemene man är detta väldigt rogivande, ty annars skulle den värld vi känner sannerligen inte kunna existera, men för en partikelfysiker med antagandet att det inte fanns någon materie-antimaterieasymmetri vid universums skapelse i Stora Smällen, så sticker detta i ögonen eftersom experiment vid t.ex. partikelacceleratorn LHC i Schweiz visar att det bildas lika stora delar materia som antimateria vid en partikelkollision (skapelsen av partiklar i en sådan kollision kan ses som skapelsen av partiklar efter Stora Smällen). Det är därför väldigt underligt, men likväl intressant, hur materie-antimatieasymmetrin i fråga faktiskt har uppkommit.

Sedan upptäckten av denna asymmetri har flertalet möjliga lösningar föreslagits och en särskilt populär sådan är s.k. elektrosvag baryogenes. Ordet elektrosvag härrör från det faktum att mekanismen i fråga är relaterad till det symmetribrott som i partikelfysikens Standardmodell sker vid den elektrosvaga energiskalan (d.v.s. vid temperaturer av storleksordningen 100 GeV, eller, i mer vardagliga enheter, 1000 miljarder grader Celsius) när Higgspartikeln ger massa till de partiklar som i dagens universum är massiva, och det är just denna fasövergång, den s.k. elektrosvaga fasövergången, som studeras i detta arbete. Speciellt så måste denna fasövergång ha en viss egenskap som också kokande vatten har, nämligen att den sker genom att det i rumtiden bildas bubblor (jämför det kokande vattnet i kastrullen på spisen där det bildas bubblor av vattenånga) i vilka massiva partiklar kan existera. Det andra ordet, baryogenes, är mer lättförståeligt och innebär helt enkelt skapelsen av baryonasymmetrin (baryoner är just dessa partiklar, uppbyggda av tre kvarkar, som utgör grunden för den vanliga materien).

Det bör nämnas att Standardmodellen trots dess annars så stora framgång inte kan förklara den observerade asymmetrin i fråga och att det därför krävs någon typ av ny fysik som ännu inte har observerats, men det är just med anledning av dess framgång som det ofta föreslås nya modeller där mycket är sig likt men någon liten detalj är annorlunda. De s.k. två-Higgs-dublettmodellerna, ofta benämnda 2HDMs, är just sådana minimalt utvidgade modeller vars största fysikaliska konsekvens är existensen av inte bara en utan fem Higgspartiklar, varav tre är oladdade och resterande två har laddning. Med i skrivande stund enbart en experimentellt hittad Higgspartikel finns det många parametervärden i 2HDMs att skruva på, så att man därför måste undersöka fasövergången i fråga för ett ofantligt stort antal punkter och med hjälp av experimentella och teoretiska begränsningar utvärdera hur bra dessa är, detta för att i slutändan kunna avgöra huruvida 2HDMs, under antagandet att elektrosvag baryogenes är korrekt, är goda kandidater för att förklara den något oväntade, men ack så viktiga, baryonasymmetri som finns i det synliga universum.

• author: Hermansson Truedsson, Nils
• supervisor: Johan Rathsman
• organization: Department of Astronomy and Theoretical Physics - Undergoing reorganization; Theoretical Particle Physics - Undergoing reorganization
• course: FYTM02 20161
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Two-Higgs-Doublet Models, 2HDM, Electroweak Phase Transition, Baryon Asymmetry, Electroweak Baryogenesis, Beyond Standard Model, BSM, Theoretical Particle Physics
• language: English
• id: 8877188
• date added to LUP: 2016-06-14 13:59:12
• date last changed: 2016-06-14 13:59:12