First-principles calculations of standard model parameters at the charm scale and beyond

• Autores: Alessandro Conigli
• Directores de la Tesis: Carlos Roberto Pena Ruano (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2023
• Idioma: español
• Número de páginas: 205
• Títulos paralelos:
  • Cálculos de primeros principios de los parámetros del Modelo Estándar a escala del charm y más allá
• Tribunal Calificador de la Tesis: Anastassios Vladikas (presid.), Margarita García Perez (secret.), M. Elvira Gámiz Sánchez (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física Teórica por la Universidad Autónoma de Madrid
• Materias:
  • Física
    • Física teórica
  • Ciencias de la vida
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen
  • español

    La búsqueda de nueva física más allá del Modelo Estándar (SM) es una de las principales tareas de la física de partículas, y las comparaciones de alta precisión entre los resultados experimentales y las predicciones teóricas pueden imponer restricciones estrictas a las extensiones propuestas. Los procesos fundamentales en los que intervienen quarks pesados en el sector del sabor desempeñan un papel crucial al dar acceso a muchos de los parámetros subyacentes del SM, una teoría exitosa con impresionantes niveles de precisión. Por ejemplo, en los últimos años, la evidencia de anomalías B que implican desviaciones de la predicción de la teoría en desintegraciones de mesones B ha desencadenado investigaciones tanto teóricas como experimentales, con el objetivo de descubrir las posibles explicaciones, incluyendo las contribuciones potenciales de nuevos fenómenos de la física. En este contexto, la QCD en retículo ofrece una aproximación numérica de primeros principios para estudiar con gran precisión aspectos no perturbativos de baja energía de la teoría de la interacción fuerte. Mientras que en el sector de los quarks ligeros se han probado numerosos cálculos de parámetros fundamentales utilizando diversas metodologías, en el sector pesado no hay suficientes resultados ni métodos probados. De ahí que resulte crucial explorar nuevas estrategias y enfoques para garantizar que las incertidumbres sistemáticas se abordan y controlan eficazmente. En esta tesis presentamos resultados de alta precisión en el sector de los quarks pesados a partir de simulaciones de Lattice QCD con fermiones de Wilson no-perturbativos O(a)-mejorados y sabores dinámicos Nf = 2 + 1. En el sector del quark charm explotamos una configuración de acción mixta con fermiones de valencia máximamente “twisted”. Este enfoque asegura la ausencia de efectos O(a) proporcionales a masas de valencia pesadas, alcanzando así el régimen de improvement automática basado en propiedades de simetría de la regularización. Presentamos determinaciones precisas de la masa del quark charm y de las constantes de decaimiento del mesón D(s), que deberían mejorar nuestro conocimiento actual sobre los valores de algunos parámetros del SM y servir como sondas sensibles para efectos de nueva física. En el sector del bottom presentamos el primer cálculo de quarks dinámicos de la masa del quark b, obtenido combinando la Heavy Quark Effective Theory (HQET) y cálculos relativistas junto con técnicas de step scaling en volumen para alcanzar por interpolación la escala del quark b y más allá. Esto sienta las bases para los trabajos en curso sobre las amplitudes de transición que implican observables de la física B, con el objetivo de una próxima determinación precisa del elemento |Vub| de matriz CKM. Los resultados descritos en esta tesis pretenden contribuir a los esfuerzos en curso para comprender la naturaleza fundamental de las partículas y sus interacciones, ayudando a restringir aún más los resultados medios mundiales de las cantidades fundamentales en el sector de los quarks pesados

  • English

    The search for new physics beyond the Standard Model (SM) is a major endeavour in particle physics, and high precision comparisons between experimental results and theoretical predictions can impose stringent constraints on the proposed extensions. Fundamental processes involving heavy quarks in the flavour sector play a crucial role by giving access to many of the underlying parameters of the SM, a successful theory with impressive levels of precision. For instance, in recent years, the evidence of B-anomalies involving deviations from the theory prediction in B-mesons decays has triggered both theoretical and experimental investigations, aiming to uncover the possible explanations, including the potential contributions from new physics phenomena. In this context, Lattice QCD provides a first-principles numerical approach for studying non-perturbative low-energy aspects of the theory of the strong interaction with high accuracy. Whereas in the light quark sector numerous calculations of fundamental parameters have been tested using various setups, in the heavy sector there are insufficient results and tested methodologies. Hence, it becomes crucial to explore new strategies and approaches to ensure that systematic uncertainties are effectively addressed and controlled. In this thesis we present high precision results in the heavy quark sector from Lattice QCD simulations with non-perturbative O(a)- improved Wilson fermions and Nf = 2 + 1 dynamical flavours. In the charm quark sector we exploit a mixed-action setup with maximally twisted valence fermions. This approach ensures the absence of O(a) effects proportional to heavy valence masses, thus achieving the automatic improvement regime based on symmetry properties of the regularization. We present precise determinations of the charm quark mass and D(s) meson decay constants, which should improve our current knowledge on the values of some SM parameters and serve as sensitive probes for new physics effects. In the bottom sector we present the first dynamical quarks calculation of the b-quark mass with a novel approach, obtained by combining Heavy Quark Effective Theory (HQET) and relativistic computations together with step scaling in volume techniques to reach by interpolation the b-quark scale and beyond. This lays the foundations for ongoing works on transition amplitudes involving B-physics observables, aiming at an upcoming precise determination of the |Vub| CKM matrix element. The results described in this thesis aim to contribute to the ongoing efforts to understand the fundamental nature of particles and their interactions, by helping to further constrain the world average results of fundamental quantities in the heavy quark sector