New physics in the electroweak sector under scrutiny at lhc
- Autores: Nuno Filipe Rosa Agostinho
- Directores de la Tesis: M. Concepción González García (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Pilar Hernández Gamazo (presid.), Josep Taron i Roca (secret.), Oscar José Pinto Éboli (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad de Barcelona
- Materias:
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- Resumen
Esta tesis se centra en la búsqueda de física mas allá del modelo estándar en el sector electrodébil, y en particular en el mecanismo de la rotura expontánea de la simetría electrodébil y de la generación de masas, usando datos recogidos por los experimentos del Large Hadron Collider. Los resultados presentados en esta tesis se basan en trabajos publicados en revistas internacionales de física de altas energías (Refs.(1-4)).
El modelo estándar es una teoría de campos gauge con grupo de simetría SU(3)_C x SU(2)_L x U(1)_Y para las interacciones fuertes y electrodébiles respectivamente, en la que las partículas observadas se identifican con excitaciones cuánticas de los campos correspondientes. En esta teoría, la simetría gauge implica que todas dichas partículas no pueden adquirir masas sin romper la simetría electrodébil. La rotura espontánea de dicha simetría– en la que es el estado fundamental de la teoría el que rompe la simetría – es una forma elegante de compatibilizar el principio de invariancia gauge del modelo estándar con la observación de partículas masivas. En su forma más simple se implementa via el mecanismo de Higgs que implica la existencia de un campo escalar fundamental que se transforma de forma no trivial bajo SU(2)_L x U(1)_Y y cuya única excitación física es una partícula escalar neutra que conocemos como el boson de Higgs.
Es por ello que podemos considerar que el zenit, tanto del modelo estándar como de la física experimental de colisionadores se alcanzó el 4 de Julio de 2012 en el CERN cuando en LHC anunció el descubrimiento de una nueva partícula que podría ser el boson de Higgs, casi 50 años despues de que el mecanismo de Higgs para la rotura espóntanea de la simetría electrodébil fuera propuesto.
Hasta 2012 el boson de Higgs era la única pieza que faltaba en la construcción del modelo estándard y su descubrimiento abrió una nueva era en la física de partículas. Tras la observación de la nueva partícula la pregunta obvia era si el estado observado era de facto el boson de Higgs del modelo estándar en su versión más mínima o si era una variante del mismo, o si había otras partículas y/o dinámicas asociadas al proceso de rotura y a la generación de masas. Una clara motivación para esperar dichas extensiones es que el mecanismo de Higgs, si bien funciona, no es la solución mas satisfactoria desde el punto de vista teórico por razones como el problema de las jerarquías que se origina porque la masa del boson de Higgs recibe correcciones de cualquier escala a la que aparezca nueva dinámica, como la escala de Plank característica de la interacción gravitatoria. Luego para mantener su masa a la escala electrodébil hace falta un nivel muy alto de ajuste fino entre los párametros del modelo.
Hay multitud de teorías, extensiones del modelo estándar, que intentan resolver los problemas del escenario mínimo y genericamente todas ellas predicen nuevos estados que deberían ser observados en colisiones de energías alcanzables en el LHC. Pero no fue así, y tras el análisis completo de los datos obtenidos durantel el Run 1 y con los resultados preliminares del Run 2, el posible boson de Higgs era la única nueva partícula observada y dentro de la precisión experimental sus propiedades coincidían con las del boson de Higgs del modelo estándar.
Esta situación es claramente “puzzling” para los físicos de párticulas porque además de argumentos teóricos, sabemos de forma feaciente que el modelo estándar no puede ser la teoría de la Naturaleza basandonos en hechos puramente observacionales tales como la existencia de materia oscura, de neutrinos masivos, y de la simetría materia-antimateria en el Universo.
Este era el escenario cuando el trabajo de esta tesis se inició. En particular, la falta de nuevos estados observados en el LHC nos sirvió como motivación para el uso de Lagrangianos efectivos como herramienta para testear en una forma independiente de modelo una amplia variedad de datos con el fin de buscar posibles desviaciones sobre las predicciones del modelo estándar.
En el contexto de teorías de campos efectivas, los efectos de nueva física, que se manifestarían de forma directa a una escala Lambda superior a aquella alcanzable en los experimentos estudiados, pueden parametrizarse en una serie de operadores de dimensión mayor que cuatro y que aparecen en el Lagrangiano suprimidos por potencias de Lambda. Los capítulos 2–5 se centran en este formalismo.
Para ello en el capítulo 2 tras una breve introdución sobre como se construye una teoría efectiva, presentamos en la secci]’on 2.1 el modelo estándar como una teoría de campos efectiva a bajas energías bajo la hipótesis de que la simetría gauge está realizada de forma linear, esto eso, que el campo de Higgs es un doblete fundamental de SU(2)_L. Dada nuestra ignorancia sobre sobre la teoría completa, aplicamos un metodo “bottom-up” y escogemos la base para los operadores que es más conveniente para el estudio de los datos existentes sobre el sector electrodébil. En el mismo capítulo, tras describir en 2.2 como construir una prescripción consistente para la definición de todos los párametros, presentamos todos los tipos de interacciones que vamos a utilizar en los análisis descritos en los capítulos 3-5. Las expresiones relevantes para la incorporación de los tests realizados a más bajas energías, en particular con datos del colisionador LEP (los llamados datos de precisión electrodébil, EWPD) estan contenidas en la sección 2.3. Las secciones 2.5 and 2.4 contienen todos los vértices relevantes para el estudio de los vértices de interacción de tres bosones de gauge electrodébil, asi como los relevantes para la producción y desintegración del boson de Higgs, respectivamente.
Los resultados presentados en los siguientes tres capítulos 3–5 representan la secuencia temporal que se ha seguido durante esta tesis en en la determinacón de la precisión con que las diferentes interacciones del sector electrodébil del modelo estándar estaban siendo probadas con los nuevos datos que iban siendo disponibles. El objetivo último de estos análysis es buscar desviaciones de las predicciones del modelo estándar que pudieran darnos información sobre el modelo completo en el sector responsable para la generación de masas.
El contenido del capítulo 3 se basa en el trabajo publicado en la Ref. 1 y fue el primer trabajo del autor de esta tésis en el marco de teorías efectivas. Como mencionamos anteriormente, el Run 1 del LHC habia generado una cantidad importante de información sobre el nuevo estado “Higgs-like” detectado. Algunos de los test realizados con estos datos se habian llevado a cabo en el marco de Lagrangianos efectivos pero eran estudios en que el numero de operadores considerados se reducia asumiendo que sólo algunos podían ser quantitativamente relevantes en el LHC mientras que otros, en particular los que afectaban a los acoplamientos de los bosones de gauge con los fermiones, estaban ya tan limitados por experimentos anteriores (en particular por los experimentos de LEP) que no eran relevantes. Esta “jerarquía” en la precisión entre los experimentos de LEP y de bajas energías, y los de LHC se empezaba a cuestionar por un serie de estimativas que aprecieron en la literatura del momento. Esto nos motivó a realizar un estudio quantiativo que permitiera de facto determinar rigurosamente si era así. Para ello nos centramos en el estudio de las auto-interacciones de los bosones de gauge electrodébil, en particular en los vértices triples WWZ and WWgamma. EL objetivo era determinar si los resultados obtenidos por los estudios sobre estos vértices, que usaban datos de producción de pares de bosones de gauge (WW or WZ) podrian verse afectados por la modificación del vértice fermionico involucrado en la producción del boson de gauge intermediario en estos procesos. Para ello realizamos un analisis combinado de los datos relevantes de producción de pares de bosones de gauge en Run 1 del LHC junto con los datos de precisión de experimentos de bajas energías incluyendo en el análisis todos los operadores de dimensión–6 que puedieran contribuir a estos procesos, bien el en vértice WWV. bien en el vértice ffV. La conclusión a la que llegamos es que de facto, ya con los datos del Run 1, se estaban alcanzando precisiones comparables a lo que tradicionalmente se entendia como “datos de precisión electrodébil” para algunos operadores. Esto marca el final de los ánalisis parciales si uno quiere hacer un test estadísticamente consistente del sector electrodébil.
En el capítulo 4, que está basado en los resultados publicados en Ref. 2, nos movemos en la dirección obvia señalada por las conclusiones anteriores: si queremos testear consistentemente el sector electrodébil del modelo estandar necesitamos incluir todos los datos al alcance, de todos los sectores relvantes. así como los efectos de todos los operadores que pueden dar contribuciones a estos observables. Ello incluye EWPD de los tiempos pre-LHC junto con todo los datos disponibles del Run 1 de LHC asi como los dos primeros años del Run 2 sobre producción de pares de bosones de gauge, y sobre la producción y desintegración del boson de Higgs. Lo que constituye un total de 64 observables del Run 1 y 122 incluyendo Run 2. El Lagrangiano efectivo que usamos contiene 20 operadores cuyos coefficientes de Wilson son simultáneamente determinados en el fit global de todos estos observables. Además de quantificar la precisión en la determinacioń de los coeficientes, el análisis permite identificar las posibles quasi-degeneraciones que se presentan en el espacio de parámetros y en las que desde un punto de vista puramente observacional, nueva física podria esconderse sin contradecir ningun dato. EL capítulo se complementa con un estudio quantitativo del efecto de incluir términos de orden superior en la expansión effectiva a la hora de calcular los observables (sec 4.2.4).
En el capítulo 5 presentamos los resultados del último trabajo realizado en el contexto de Lagrangianos efectivos Ref. 3. En él extendemos nuestro análisis para quantificar el posible efecto de operadores que inducen acoplamientos de tipo dipolar para los quarks ligeros y que no se habian considerado en los resultados presentados en el capítulo 4. Estos operadores generan acoplamientos de los quarks a los bosones de gauge con una estructura Lorentz diferente y por ello no se espera que afecten a los resultados obtenidos, un hecho que verificamos explicitamente en este capítulo. Alternativamente el estudio nos permite cuantificar la sensibilidad de LHC a este tipo de acoplamientos en un regimen en que los quarks ligeros se pueden tratar como asintóticamente libres. También extendemos el tipo de observables considerados incluyendo los datos de Drell-Yan recogidos tanto en el Run 1 como el Run 2 de LHC. Concluimos que, de facto, para estos dipole-like couplings la precisión de LHC es mejor que la que se obtienía del analysis de EWPD.
Finalmente en el capítulo 6 presentamos los resultados de un estudio realizado en el contexto de un modelo de masa de neutrinos. En el modelo estándar la simetría gauge implican que los neutrinos no tiene masa. Y por lo tanto no hay mezcla de sabor en el sector leptónico. Pero sabemos por la observación de oscilaciones de neutrinos que los neutrinos tienen masa y que el sabor leptónico no se conserva y por lo tanto el modelo estándar debe extenderse para incorporar estas observaciones. Dado que el LHC es nuestra principal herramienta para testear las extensiones del modelo estándar, una cuestión obvia es si LHC puede darnos información acerca de las extensiones que permiten generar masas para los neutrinos. Para ello obviamente uno debe centrarse en modelos que implican una escala de nueva física que esta dentro del rango alcanzable en el LHC. En el capítulo 6, basado en Ref.4 estudiamos un modelo de see-saw Type-III con “minimal lepton flavour violation” en el cual los estados pesados asociados a la generación de violación de sabor leptonico pueden tener masas del ordel del TeV. El modelo es muy predictivo ya que los modos de desintegracón de estos estados vienen determinados por la estructura de sabor determinada en los experimentos de oscilaciones de neutrinos. El objetivo es estudiar cómo algunos ánalisis de búsqueda de nueva física realizados en el Run 1 de LHC pueden aplicarse a este tipo de modelos altamente predictivos. En particular en el estudio presentado conseguimos exender el rango de masas testeadas usando los datos de ATLAS de eventos que contienen dos leptones cargados y dos jets procedentes del decay hadrónico del W y demostramos como es importante para busqueda de este tipo de modelos que los experimentos estudien la dependencia de sus resultados con el sabor y la carga de los leptones producidos.
