Cosmological Signatures of the Scale-Invariant Two-Higgs-Doublet Model with an Additional Scalar Singlet

Abstract

This thesis investigates a scale-invariant Two-Higgs-Doublet Model with an additional scalar singlet, focusing on its phenomenology, both at collider experiments and for cosmological observables. The collider experiments are mainly used to constrain the parameter space of the model. With these constraints, we find that there are restrictions against large sums of masses squared as well as one of the mixing angles going to zero, corresponding to the vacuum expectation value of the singlet going to zero.

Cosmological studies are performed for the parameter points satisfying the theoretical and experimental constraints, specifically the strength of the electroweak phase transition is investigated. This shows that the very strong transitions are found in small regions of the parameter space with a strong dependence on the mass of the charged Higgs particle. In addition to the phase transition, primordial gravitational waves are analyzed through several observables. It was found that some of these points are observable at future gravitational wave experiments, such as LISA. In addition to studying the gravitational wave signature directly, how its power spectrum depends on other parameters, including the trilinear Higgs coupling, is studied. From this, we find that the energetic gravitational waves correspond to a large sum of masses squared. The trilinear coupling was found to have no strong correlation with the gravitational wave signature but was found to substantially deviate from its standard model value, even going outside of the allowed experimental bounds.

Popular Abstract (Swedish)

Upptäckten av Higgspartikeln 2012 vid LHC i Schweiz var en milstolpe inom fysiken — den sista elementarpartikeln i vår mest precisa teori hade hittats. Den första elementarpartikeln elektronen identifierades, av JJ Thomson år 1897, under en tid då man tvivlade på existensen av atomer. De teorier och experimentella tekniker som var nödvändiga för Higgspartikelns upptäckt hade verkat som galenskap då.

Under de 115 år mellan Thomsons upptäckt och Higgspartikelns bekräftelse skedde en stor utveckling av vår teoretiska förståelse av omvärlden, särskilt genom kvantmekaniken och relativitetsteorin, som kulminerade i standardmodellen. Trots sitt ödmjuka namn är detta den mest precisa teorin någonsin utvecklad, byggd med hjälp av de mest avancerade fysiska teorierna någonsin. Denna modell förutsäger existensen av 17 fundamentala partiklar och deras antipartiklar, partiklar med samma massa som deras motsvarande "materia"-partikel men motsatt laddning. Dessa partiklar har upptäckts en efter en, några innan teorins utveckling och andra efter.

Att förutspå partiklar som ännu inte har upptäckts må tyckas anmärkningsvärt, och det är det, men fysikerna hade goda, teoretiska, anledningar att tro på dessa partiklar. På liknande sätt kan man idag fråga: var Higgspartikeln det sista steget i den här processen eller finns det fler? För att förutspå nya partiklar krävs goda anledningar, därför är det av yttersta vikt att förstå de frågor som standardmodellen inte ger ett bra svar på. Att identifiera sådana frågor är svårare än det verkar när förutsägelserna från standardmodellen ligger mycket nära alla experiment någonsin gjorda vid partikelacceleratorer. Därför vänder vi oss till mer fundamentala frågor såsom: varför är egentligen allt gjort av materia och inte antimateria?

Fysikern Andrei Sakharov försökte besvara denna fråga genom att formulera tre villkor som en teori måste uppfylla för att ha processer som genererar ett överskott av materia. Problemet var att efter Higgspartikelns massan blev känd visade det sig att alla villkor inte kan vara uppfyllda inom standardmodellen. På grund av detta föreslår fysiker idag att ytterligare partiklar ska läggas till standardmodellen för att möjliggöra processer som skapar mer materia än antimateria i det tidiga universum. En vanlig variant av dessa är att lägga till nya Higgspartiklar till standardmodellen. Detta är en logisk strategi eftersom Higgssektorn är den delen av standardmodellen som är nyast upptäckt och därför har mest osäkerhet i sin data.

Den här rapporten undersöker en modell som lägger till fyra Higgspartiklar till standardmodellen och studerar konsekvenserna av detta. Konsekvenserna kan sorteras in i två kategorier: de som är relevanta vid låga temperaturer, såsom i dagens experiment på jorden, och de som sker vid höga temperaturer, som i det tidiga universum. Vid låga temperaturer ger experimentella data, från t.ex. LHC, goda möjligheter att testa om modellen leder till fysiskt realistiska resultat. Genom detta finner vi att det finns punkter i denna modell som resulterar i förutsägelser som överensstämmer med experiment. Vid höga temperaturer kan experiment som är planerade för framtiden såsom LISA, en satellit som ska mäta gravitationsvågor i rymden, ge ett sätt att testa vissa förutsagda resultat inom denna teori. Därför fokuserar även rapporten på effekter vid höga temperaturer och om dessa är mätbara vid framtida experiment eller ej. I vårt arbete hittade vi att det är möjligt inom denna modell att producera gravitationella vågor som är mätbara vid dessa framtida experiment.

• author: Gustavsson, Filip
• supervisor: Roman Pasechnik; Johan Rathsman
• organization: Department of Physics; Particle and nuclear physics
• course: FYSM34 20251
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• language: English
• id: 9194308
• date added to LUP: 2025-06-09 09:54:49
• date last changed: 2025-06-10 08:41:44