Baryogenesis and EDMs in the 2HDM with a Complex Singlet
Cet article présente la première analyse conjointe de la baryogenèse via l'higgsogénèse et des moments dipolaires électriques dans un modèle à deux doublets de Higgs avec un singulet complexe et un fermion de Majorana, démontrant qu'un renforcement résonnant permet une baryogenèse réussie pour des masses de singulet aussi basses que GeV tout en générant simultanément des signaux de EDM observables sans nécessiter de transition de phase électrofaible du premier ordre.
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L'univers que nous voyons aujourd'hui est composé de matière : des étoiles, des planètes et les personnes qui les contemplent. Pourtant, selon les lois les plus fondamentales de la physique qui régissent la naissance du cosmos, la matière et son image miroir, l'antimatière, auraient dû être créées en quantités égales. Si cela s'était produit, elles se seraient annihilées instantanément, laissant derrière elles un univers rempli uniquement de lumière. Le fait que nous existions signifie qu'à un certain moment de l'histoire précoce de l'univers, un léger déséquilibre a fait pencher la balance, permettant à un petit surplus de matière de survivre. Les physiciens appellent ce processus la baryogenèse. Pour comprendre comment cela s'est produit, ils recherchent des sources d'un type spécifique de rupture de symétrie appelée violation de la CP, ce qui signifie essentiellement que la nature traite certains processus différemment de leurs images miroirs. Bien que les lois connues de la physique contiennent une petite quantité de cet effet, elle est bien trop faible pour expliquer l'abondance de matière que nous observons. Cette lacune suggère que de nouvelles particules ou forces, encore non découvertes, ont dû être à l'œuvre dans les instants chauds et denses suivant le Big Bang.
Une équipe de chercheurs de l'Université technique de Munich et de l'Institut Max Planck de physique a proposé un nouveau scénario pour combler cette lacune. Ils ont étudié un modèle théorique qui étend le Modèle Standard de la physique des particules en ajoutant deux nouveaux types de particules : un champ scalaire complexe, un type de champ d'énergie similaire à celui qui donne la masse aux particules, et un fermion lourd, un type de particule de matière qui se comporte comme sa propre antiparticule. Dans leur scénario, l'histoire de la domination de la matière commence par la désintégration d'une particule lourde et instable appelée singulet. Alors que cette particule se brise dans l'univers primordial, elle ne se désintègre pas de manière uniforme. Au lieu de cela, elle crée un léger déséquilibre entre deux versions différentes du champ de Higgs, les champs responsables de l'attribution de la masse aux particules. Ce déséquilibre initial est ensuite transmis à d'autres particules par des interactions standards.
Le processus se poursuit en deux étapes supplémentaires. D'abord, le déséquilibre est transféré à un type de charge spécifique connu sous le nom de B moins L, qui est lié à la différence entre le nombre de particules de matière et d'antiparticules. Ce transfert est assuré par le fermion lourd mentionné précédemment, qui agit comme un pont entre le déséquilibre initial et la matière que nous voyons aujourd'hui. Enfin, un processus naturel dans l'univers primordial, impliquant la force nucléaire faible, convertit cette charge B moins L en un surplus de matière ordinaire. Les chercheurs ont réalisé des simulations numériques détaillées pour voir si cette chaîne d'événements pouvait réellement produire la quantité de matière que nous observons aujourd'hui. Ils ont découvert que c'est possible, à condition que la particule singulet lourde ait une masse aussi basse que 100 000 gigaelectronvolts. C'est une découverte significative car elle permet la création de matière à des échelles d'énergie bien plus basses que ce que requièrent beaucoup d'autres théories, principalement grâce à un effet de résonance qui amplifie le déséquilibre initial, tout comme pousser une balançoire au moment précis permet de la faire monter plus haut.
Un aspect crucial de ce travail est que les chercheurs n'ont pas seulement examiné comment la matière a été créée ; ils ont également vérifié si leur modèle laisse des traces que nous pourrions détecter aujourd'hui. Toute théorie introduisant de nouvelles sources d'asymétrie prédit souvent que les particules devraient présenter une infime séparation entre leurs charges électriques positives et négatives, une propriété connue sous le nom de moment dipolaire électrique. L'équipe a calculé la taille attendue de ces moments pour les électrons et les neutrons au sein de leur modèle. Ils ont découvert que, pour certains réglages de leur modèle, les moments dipolaires électriques prédits sont suffisamment importants pour être détectés par les expériences actuelles ou futures proches. Cela crée un lien puissant entre l'origine de l'univers et les mesures de laboratoire : si l'univers a été créé de cette manière, nous devrions observer des signaux spécifiques dans nos détecteurs.
L'étude précise également ce qui n'est pas requis pour que ce scénario fonctionne. Contrairement à de nombreuses autres théories qui reposent sur une transition de phase du premier ordre violente dans l'univers primordial — une sorte d'ébullition ou de congélation cosmique — ce mécanisme fonctionne de manière fluide à travers la désintégration de particules. Cela lève un obstacle majeur qui contraint d'autres modèles. Les chercheurs ont constaté que, si le modèle peut expliquer avec succès l'existence de la matière, il prédit également que les moments dipolaires électriques des neutrons pourraient se situer juste en dessous des limites mesurables par les expériences actuelles. Cela signifie que la prochaine génération d'instruments sensibles, qui sont actuellement en cours de construction, pourrait soit confirmer cette vision de l'origine de l'univers, soit l'infirmer. Ce travail suggère que la même physique qui a fait pencher la balance en faveur de la matière il y a des milliards d'années pourrait attendre d'être révélée dans une expérience de laboratoire au cours de notre vie.
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