非平衡热力学量子场论对超越标准模型新物理的修正及其在早期宇宙中的应用

Non-equilibrium thermal field theory is the proper theoretical framework for addressing decays in a thermal plasma, as it allows us to model the back reaction effects of the thermal plasma to the subsequent decays. From first principles we perform such a calculation taking into account of the real time back reaction corrections to the decay rates and decay constants using a toy model of one scalar decaying into two scalars in an expanding thermal background. The decay rates and decay constants are expected to be a real function of the background temperature and the propagators should be a complex function. We can read off the temperature-dependent effective potential which can be used directly in many modeling applications. We will, however, use our results to analyze some representatives of the popular 2HDM, models that extends the Higgs sector. In particular we concentrate on the following two issues: after taking into account of the instantaneous back reaction from the background plasma whether these extended Higgs Multiplet models can realize a strongly first-order phase transition needed for CP violation and generate an excess of matter over anti-matter, and whether any of the 2HDM can be used to facilitate a warm inflation at an earlier stage of the cosmic evolution.

非平衡热力学量子场论是研究在远离热平衡的量子场衰变过程的基本理论框架，其可以精确描述量子场衰变所产生的热等离子体背景对后续衰变自身的反作用。在本项目中，首先，我们将从第一性原理出发精确计算单标量场衰变为到双标量场这一最基本模型的非平衡热力学修正，通过运用非平衡热力学量子场论方法，我们可以精确计算出包含了热力学修正的衰变率和衰变常数，同时得到非平衡热力学修正所诱导出的有效势能。然后，我们将把所得结果运用到若干个重要的物理领域，其中包括：1）超越标准模型新物理，我们将计算2HDM等重要的希格斯多重态模型的非热平衡热力学修正，并检验最终的结果是否可以产生足够强的一阶相变，从而实现CP破坏和正反物质不对称性；以及 2）早期宇宙学，我们将把研究方法和结果推广到在膨胀的时空背景中，从而严格计算出的这一系列新物理模型是否可以成为宇宙早期重新加热过程或温暖暴涨模型的基础物理理论。

本课题组基本完成项目申请时建立的两个科学目标：. I. 运用本课题组之前得到的非平衡热力学量子场论的理论方法和结果，计算希格斯多重态拓展模型的非热平衡热力学修正，预言超越标准模型新物理;. II. 把上述场论方法和结果推广到膨胀与塌缩的宇宙学时空背景中，并应用于我们提出的弦论反弹宇宙模型（CSTB模型【Cheung et al 2013】) 中，为反弹宇宙构建物质产生过程。.成果： 本课题组已将课题 (I) 与 (II) 研究成果整理成 19 篇论文发表在 J. Cosmology & Astrophysics、Astrophysics J., Euro Phys. J. C、 China Phys. C、J. High Energy Phys. 等杂志。 本课题的其它理论成果正在与数字计算比较，预计整理成论文2～3篇。.本项目培养了硕士毕业生五名、博士毕业生五名。本项目积极支持学生到法国、日本、比利时、瑞典及国内参加高质素的暑期学校、学术会议，并与中国科学院理论物理研究所、高能物理所和比利时鲁汶大学等三个研究团队有深度地合作，所有项目组内学生都攒集了留学与丰富的团队合作经验。