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新物理模型中电弱相变的精确计算与相关唯象学研究

批准号:
12105248
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张阳
依托单位:
学科分类:
标准模型精确检验与新物理
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张阳

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
解释宇宙中正反物质不对称性的一阶电弱相变是超出标准模型新物理的一个研究热点。为了与相关实验结果进行比较,我们必须控制其理论计算的误差。微扰计算方法中,希格斯有效势中存在的诸多不确定因素,如规范参数、重整化方案、重整化能标和发散的处理方法等,每一项都会对相变强度和引力波谱的计算造成10%左右(个别情况能超过50%)的误差。同时,现有的相变数值计算方法也存在缺陷,如鞍点易误判、没有考虑多种相变路径等,有时会给出完全错误的结果。我们将以一个简单的模型(单个实标量单态场扩充模型)和一个复杂的模型(次最小超对称模型)为例,完善我们的相变数值计算方法,分析并减小理论不确定性对相变的关键温度、强度、成核温度和引力波信号的影响。进而与对撞机物理、暗物质物理和真空稳定性相结合,系统地研究这些模型的当前状态与未来探测的可能性。为新物理模型中相变精确计算提供参考方案和可靠的数值计算工具。
英文摘要
Strong first order electroweak phase transition for dynamically producing the matter-antimatter asymmetry in the Universe is one of the most popular topics in physics beyond the Standard Model. In order to accurately predict experimental observables, we need to reduce relevant theoretical uncertainties. In perturbative calculations, the uncertainties of Higgs effective potential include gauge fixing parameter, renormalization scheme, renormalization scale, the way of treating divergence, and so on. They can yield about 10% (sometime over 50%) relative difference in calculation of transition strength and gravitational wave spectrum. Meanwhile, there are several shortcomings in current numerical computation methods, such as easily misidentifying saddle point, omitting possibility of multiple transition paths, which may lead to totally wrong result. In this project, we will optimize our numerical computation method, analyze and try to reduce theoretical uncertainties in calculations of critical temperature, transition strength, nucleation temperature and gravitational wave spectrum, in a simple model (the Standard Model with a real singlet scalar) and a complex model (Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model). Finally, we want to comprehensively study these models with constraints from collider experiments, dark matter detection experiments, as well as dark matter relic density and electroweak vacuum stability which may be affected by phase transition of early universe. This project can provide a theoretical scheme of reference and a reliable numerical computation tool for precise calculation of electroweak phase transition in new physics models.
在TeV物理的前沿研究中,超出标准模型新物理中的电弱相变是一个热点问题。这一过程不仅与宇宙早期的演化密切相关,还直接关联到宇宙的物质起源和真空稳定性,并且可以通过引力波探测实验和对撞机实验对相关模型进行检验。然而,在使用微扰计算方法研究电弱相变时,希格斯有效势中存在多个不确定因素,如规范参数的选择、重整化方案、重整化能标以及发散的处理方法等。此外,相变引力波的计算中也采用了若干简化和近似公式。为了确保理论预言与实验结果之间的精确比对,必须降低这些理论计算中的误差。.本项目在以下几个方面取得了进展:(1)量化了在使用微扰计算方法研究电弱相变时,希格斯有效势中的不确定度对相变参数计算结果的具体影响,发现重整化能标和规范参数带来的不确定度最大;(2)通过数值模拟方法,深入研究了宇宙学一阶相变中的泡泡动力学,验证了计算假真空占比的近似解析公式的有效性,发现声壳模型中数值模拟的泡泡寿命分布不完全服从指数分布,整个引力波谱都应该被压低;(3)结合最新的脉冲星计时阵列实验探测引力波的结果,研究了极端过冷电弱相变过程,发现它无法用来解释纳赫兹引力波信号,但可以用来研究暗物质残留密度的稀释效应;(4)将早期宇宙的演化与暗物质及真空稳定性问题紧密结合,为相关物理模型提供了更为严格和准确的理论和实验约束;(5)开发了用于电弱相变特征量计算的数值软件PhaseTracer2和模型参数空间采样软件EasyScan_HEP。.这些理论和唯象学方面的进展,为规划建设中的大型科学装置(空间引力波探测实验和环形正负电子对撞机)提供了更为精确的理论预言,具有重要的理论指导意义。
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