Baryogenesis and Inflation from the Higgs sector

Abstract

Tot i que el model ΛCDM és el més complet de la cosmologia moderna fins a dia d'avui, encara li manca una descripció convincent de l'origen de la matèria bariònica i del període inflacionari cosmològic. En aquesta tesi estudiem les implicacions de l'acoblament de l'inflató a la densitat de Chern-Simons en diversos escenaris, centrant-nos en el paper exercit pel sector de Higgs, pel que fa a les seves capacitats de bariogènesi i preescalfament. Al principi, ens centrem en el model d'inflació de Higgs, ja que relaciona els observables cosmològics amb propietats de la física electrofeble, la qual cosa fa d'en Higgs un candidat d'especial interès per a l'inflató. A continuació, proposem un model modificat d'aquest últim, en el qual el Higgs es combina amb un nou camp escalar. Tots dos camps participen en el procés d'inflació en una teoria unitària que prediu valors dels observables cosmològics en concordança amb els resultats de les Col·laboracions Planck/BICEP/Keck. Des d'una perspectiva fenomenològica, aquest model pot resoldre el problema de la inestabilitat del Model Estàndard i, sota algunes condicions específiques, conduir a la predicció d'un inflató en l'escala del TeV que podria ser produït i detectat en el LHC. Així doncs, aquest model combina la inflació de Higgs, la bariogènesi a través de la producció de camps magnètics helicoïdals, i l'estabilització del potencial de Higgs mitjançant la modificació del grup de renormalització, per a proporcionar una història apropiada de l'Univers.

Aunque el modelo ΛCDM es el más completo de la cosmología moderna hasta la fecha, aún carece de una descripción convincente del origen de la materia bariónica y del periodo inflacionario cosmológico. En esta tesis estudiamos las implicaciones del acoplamiento del inflatón a la densidad de Chern-Simons en varios escenarios, centrándonos en el papel desempeñado por el sector de Higgs en lo que concierne a sus capacidades de bariogénesis y precalentamiento. Al principio, nos centramos en el modelo de inflación de Higgs, ya que relaciona los observables cosmológicos con propiedades de la física electrodébil, lo que hace del Higgs un candidato de especial interés para el inflatón. A continuación, proponemos un modelo modificado de este último, en el que el Higgs se combina con un nuevo campo escalar. Ambos campos participan en el proceso de inflación en una teoría unitaria que predice valores de los observables cosmológicos en concordancia con los resultados de las Colaboraciones Planck/BICEP/Keck. Desde una perspectiva fenomenológica, este modelo puede resolver el problema de la inestabilidad del Modelo Estándar y, bajo algunas condiciones específicas, conducir a la predicción de un inflatón en la escala del TeV que podría ser producido y detectado en el LHC. Así pues, este modelo combina la inflación de Higgs, la bariogénesis a través de la producción de campos magnéticos helicoidales, y la estabilización del potencial de Higgs mediante la modificación del grupo de renormalización, para proporcionar una historia apropiada del Universo.

Although the ΛCDM model is the most complete model of modern cosmology to date, it still lacks a compelling description of the baryonic matter origin and of the cosmological inflationary period. In this thesis, we study the implications of the inflaton coupling to the Chern-Simons density in various scenarios, focusing on the role played by the Higgs sector in the baryogenesis and preheating capabilities. At first, we focus on the Higgs inflation model, as it relates cosmological observables to properties of electroweak physics, which makes the Higgs a candidate of particular interest for the inflaton. Then we propose a modified model of the latter, where the Higgs is combined with a new scalar field. Both fields participate in the inflation process in a unitary theory that predicts values of the cosmological observables in agreement with the results from the Planck/BICEP/Keck Collaborations. From a phenomenological perspective, this model can solve the Standard Model instability problem and, under some specified conditions, lead to the prediction of a TeV scale inflaton that could be produced and detected at the LHC. This model thus combines Higgs inflation, baryogenesis via production of helical magnetic fields, and stabilization of the Higgs potential by modifying the renormalization group running, to provide a successful history of the Universe.