Primordial Magnetogenesis in the Two-Higgs-doublet Model
Abstract: $\gamma$-ray emission of blazars infer the presence of large-scale magnetic fields in the intergalactic medium, but their origin remains a mystery. Using recent data from MAGIC, H.E.S.S. and $\textit{Fermi}$-LAT, we investigate whether the large-scale magnetic fields in the intergalactic medium could have been generated by a first-order electroweak phase transition in the two-Higgs-doublet model (2HDM). We study two representative scenarios where we vary the initial conditions of the magnetic field and the plasma, assuming either a primordial magnetic field with maximal magnetic helicity or a primordial magnetic field with negligible magnetic helicity in a plasma with kinetic helicity. By considering a primordial magnetic field with maximal helicity and applying the conservative constraints derived from MAGIC and $\textit{Fermi}$-LAT data, we demonstrate that a first-order electroweak phase transition within the 2HDM may account for the observed intergalactic magnetic fields in the case of the strongest transitions. We show that this parameter space also predicts strong gravitational wave signals in the reach of space-based detectors such as LISA, providing a striking multi-messenger signal of the 2HDM.
- V. A. Acciari et al. (MAGIC), Astron. Astrophys. 670, A145 (2023), arXiv:2210.03321 [astro-ph.HE] .
- F. Aharonian et al. (H.E.S.S., Fermi-LAT), Astrophys. J. Lett. 950, L16 (2023), arXiv:2306.05132 [astro-ph.HE] .
- A. Neronov and I. Vovk, Science 328, 73 (2010), arXiv:1006.3504 [astro-ph.HE] .
- L. Biermann and A. SchlĂ¼ter, Phys. Rev. 82, 863 (1951).
- R. Alves Batista and A. Saveliev, Universe 7, 223 (2021), arXiv:2105.12020 [astro-ph.HE] .
- M. S. Turner and L. M. Widrow, Phys. Rev. D 37, 2743 (1988).
- B. Ratra, Astrophys. J. Lett. 391, L1 (1992).
- J. Martin and J. Yokoyama, JCAP 01, 025 (2008), arXiv:0711.4307 [astro-ph] .
- T. Kobayashi, JCAP 05, 040 (2014), arXiv:1403.5168 [astro-ph.CO] .
- T. Vachaspati, Phys. Lett. B 265, 258 (1991).
- T. Vachaspati, Phys. Rev. Lett. 87, 251302 (2001), arXiv:astro-ph/0101261 .
- E. Witten, Phys. Rev. D 30, 272 (1984).
- C. J. Hogan, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 218, 629 (1986).
- M. M. Forbes and A. R. Zhitnitsky, Phys. Rev. Lett. 85, 5268 (2000), arXiv:hep-ph/0004051 .
- A. D. Sakharov, Pisma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 5, 32 (1967).
- T. D. Lee, Phys. Rev. D 8, 1226 (1973).
- C. Caprini et al., JCAP 03, 024 (2020), arXiv:1910.13125 [astro-ph.CO] .
- P. Auclair et al.,  (2022a), arXiv:2204.05434 [astro-ph.CO] .
- P. Fayet, Nucl. Phys. B 78, 14 (1974).
- P. Fayet, Nucl. Phys. B 90, 104 (1975).
- G. Aad et al. (ATLAS), Phys. Lett. B 716, 1 (2012), arXiv:1207.7214 [hep-ex] .
- S. Chatrchyan et al. (CMS), Phys. Lett. B 716, 30 (2012), arXiv:1207.7235 [hep-ex] .
- J. F. Gunion and H. E. Haber, Phys. Rev. D 67, 075019 (2003), arXiv:hep-ph/0207010 .
- Nature 607, 52 (2022), [Erratum: Nature 612, E24 (2022)], arXiv:2207.00092 [hep-ex] .
- A. Tumasyan et al. (CMS), Nature 607, 60 (2022), arXiv:2207.00043 [hep-ex] .
- M. Quiros, in ICTP Summer School in High-Energy Physics and Cosmology (1999) pp. 187–259, arXiv:hep-ph/9901312 .
- S. R. Coleman and E. J. Weinberg, Phys. Rev. D 7, 1888 (1973).
- L. Dolan and R. Jackiw, Phys. Rev. D 9, 3320 (1974).
- P. B. Arnold and O. Espinosa, Phys. Rev. D 47, 3546 (1993), [Erratum: Phys.Rev.D 50, 6662 (1994)], arXiv:hep-ph/9212235 .
- O. Gould and T. V. I. Tenkanen, JHEP 06, 069 (2021), arXiv:2104.04399 [hep-ph] .
- O. Gould and T. V. I. Tenkanen,  (2023), arXiv:2309.01672 [hep-ph] .
- S. R. Coleman, Phys. Rev. D 15, 2929 (1977), [Erratum: Phys.Rev.D 16, 1248 (1977)].
- J. Callan, Curtis G. and S. R. Coleman, Phys. Rev. D 16, 1762 (1977).
- A. D. Linde, Phys. Lett. B 100, 37 (1981).
- A. D. Linde, Nucl. Phys. B 216, 421 (1983), [Erratum: Nucl.Phys.B 223, 544 (1983)].
- C. L. Wainwright, Comput. Phys. Commun. 183, 2006 (2012), arXiv:1109.4189 [hep-ph] .
- D. Bodeker and G. D. Moore, JCAP 05, 009 (2009), arXiv:0903.4099 [hep-ph] .
- D. Bodeker and G. D. Moore, JCAP 05, 025 (2017), arXiv:1703.08215 [hep-ph] .
- G. D. Moore and T. Prokopec, Phys. Rev. D 52, 7182 (1995), arXiv:hep-ph/9506475 .
- J. Kozaczuk, JHEP 10, 135 (2015), arXiv:1506.04741 [hep-ph] .
- B. Laurent and J. M. Cline, Phys. Rev. D 102, 063516 (2020), arXiv:2007.10935 [hep-ph] .
- B. Laurent and J. M. Cline, Phys. Rev. D 106, 023501 (2022), arXiv:2204.13120 [hep-ph] .
- S. Dimopoulos and L. Susskind, Phys. Rev. D 18, 4500 (1978).
- P. Amaro-Seoane et al. (LISA),  (2017), arXiv:1702.00786 [astro-ph.IM] .
- P. Auclair et al. (LISA Cosmology Working Group), Living Rev. Rel. 26, 5 (2023), arXiv:2204.05434 [astro-ph.CO] .
- Science Requirements Document, https://www.cosmos.esa.int/web/lisa/lisa-documents, Tech. Rep. ESA-L3-EST-SCI-RS-001 (2018).
- R. Banerjee and K. Jedamzik, Phys. Rev. D 70, 123003 (2004), arXiv:astro-ph/0410032 .
- D. Biskamp and W.-C. MĂ¼ller, Phys. Rev. Lett. 83, 2195 (1999).
- R. Durrer and A. Neronov, Astron. Astrophys. Rev. 21, 62 (2013), arXiv:1303.7121 [astro-ph.CO] .
- T. Vachaspati, Phys. Rev. D 95, 063505 (2017), arXiv:1606.06186 [astro-ph.CO] .
- T. Vachaspati, Rept. Prog. Phys. 84, 074901 (2021), arXiv:2010.10525 [astro-ph.CO] .
- D. Biskamp, Plasma Physics and Controlled Fusion 45, 1827 (2003).
Sponsor
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.