A global approach to physics beyond the Standard Model

Abstract

A descoberta do bosão de Higgs representou um momento extraordinário para a Física de Partículas, uma vez que foi a verificação experimental da última peça do Modelo Padrão. No entanto, a busca por uma teoria fundamental da Natureza continua, já que o Modelo Padrão enfrenta ainda vários desafios, tanto experimentais como teóricos, motivando várias propostas de teorias para além do Modelo Padrão. O trabalho desenvolvido na presente tese segue duas direções complementares na pesquisa por nova física: uma abordagem motivada por modelos específicos, que tem como objetivo explorar assinaturas experimentais comuns a várias classes de modelos; e uma abordagem baseada na teoria de campo efetiva, válida se a nova física for suficientemente pesada, em que podemos parametrizar os efeitos de nova física sem ter de especificar nenhum modelo. Apesar da primeira abordagem abranger, por definição, menos modelos de nova física, é possível desenvolver estratégias para que a análise seja aplicável a várias classes de modelos. Para além disso, se a nova física incluir campos leves, esta abordagem tem necessariamente que ser seguida. No âmbito desta abordagem, considerámos modelos de Higgs composto, em que o problema da hierarquia associado ao bosão de Higgs pode ser explicado considerando que este é um bosão de Goldstone. Estas teorias compostas prevêem a presença de novos fermiões. Deste modo, desenvolvemos análises para procurar por leptões pesados em colisionadores, considerando diferentes decaimentos para os mesmos e estudando a complementaridade entre estes testes e outras observáveis associadas a matéria escura. Na segunda abordagem, independente de modelos, extendemos os cálculos existentes no contexto da teoria efetiva do Modelo Padrão considerando operadores de dimensão 8. Estes termos são importantes do ponto de vista experimental, já que algumas observáveis recebem as principais contribuições a esta ordem, mas também porque os coeficientes destes operadores podem ser constrangidos por argumentos teóricos. Para além disso, estudámos uma extensão desta teoria efetiva incluindo um pseudo-escalar leve, motivado pelas teorias de Higgs composto. Finalmente, usámos também a teoria efetiva do Modelo Padrão para ligar resultados experimentais com nova física através da classicação sistemática de modelos que podem gerar os operadores que contribuem para o momento magnético anómolo dos muões.

The discovery of the Higgs boson marked an extraordinary moment in particle physics as the last piece of the Standard Model was experimentally verified. However, the quest for a fundamental theory of Nature continues as the Standard Model still faces several challenges, both from experimental evidence and from a theoretical perspective, prompting the proposal of a tremendous amount of beyond the Standard Model scenarios. This thesis follows two complementarity directions in the search for new physics: the first one, the model-driven approach, requires the selection of a model or class of models and explores their most unique signatures; the second one, valid if new physics is heavy, is to follow the effective field theory approach and parametrize new physics effects in a model-independent way. While the model-driven approach encompasses, by definition, less beyond the Standard Model scenarios, we can develop strategies so that the setup is applicable to a wide range of models; furthermore, if new physics predicts light degrees of freedom, then this approach must be followed. We proceed with this strategy focusing on composite Higgs models, motivated theories which explain the hierarchy problem by considering the Higgs as a pseudo-Nambu Goldstone boson. A ubiquitous prediction of the composite framework is the existence of vector-like leptons. As such, we propose dedicated analysis to search for these particles at colliders considering a generic setup for their decays and study the possible complementarity with dark matter probes. In the model-independent approach, we extend the current calculations within the Standard Model Effective Field Theory to account for the one-loop contribution of dimension-8 terms. These terms are important not only from the experimental point of view, since certain observables receive their main contribution at this order, but also because dimension-8 Wilson coefficients are the first ones on which purely theoretical bounds can be placed. Furthermore, we consider the extension of the Standard Model Effective Field Theory with an extra light pseudo-scalar, a motivated scenario within the composite framework. Finally, we use this model-independent approach to connect experimental results with Standard Model extensions by classifying models which can generate the effective operators possibly responsible for the anomalous magnetic moment of the muon.

El descubrimiento del bosón de Higgs representó un momento extraordinario para la física de Partículas, ya que supuso la verificación experimental de la última pieza del modelo estándar. Sin embargo, la búsqueda de una teoría fundamental de la naturaleza continúa, ya que el modelo estándar todavía se enfrenta a varios retos, tanto experimentales como teóricos, lo que motiva una gran cantidad de propuestas de teorías más allá del modelo estándar. Esta tesis persigue dos direcciones complementarias en la búsqueda de nueva física: la primera, motivada por modelos, pretende explorar las señales experimentales comunes a varias clases de los mismos; la segunda, válida si la nueva física es suficientemente pesada, consiste en utilizar las teorías de campos efectivas y parametrizar los efectos de nueva física pe manera independientemente del modelo. Aunque el primer enfoque abarca, por definición, menos escenarios de nueva física, es posible desarrollar estrategias para que el análisis sea aplicable a un amplio rango de modelos. En el marco de este enfoque, consideramos modelos de Higgs compuestos, en los que el problema de la jerarquía asociado al bosón de Higgs puede explicarse considerando que es un pseudo-bosón de Nambu-Goldstone. Estas teorías compuestas predicen la presencia de nuevos fermiones. Por ello, desarrollamos análisis para buscar leptones pesados en los colisionadores, considerando sus diferentes desintegraciones y estudiando su posible complementariedad con otros observables asociados a la materia oscura. En el segundo enfoque, independiente del modelo, extendemos los cálculos existentes en el contexto de la teoría efectiva del modelo estándar considerando operadores de dimensión 8. Estos términos son importantes desde un punto de vista experimental, ya que algunos observables reciben sus contribuciones dominantes a este orden, pero también porque sus coeficientes pueden ser restringidos usando argumentos teóricos. Además, estudiamos una extensión de esta teoría efectiva incluyendo un pseudoescalar ligero, motivado por las teorías de Higgs compuesto. Por último, también hemos utilizado la teoría efectiva del modelo estándar para vincular los resultados experimentales con modelos de nueva física, clasificando sistemáticamente aquellos que pueden generar los operadores que contribuyen al momento magnético anómalo del muón.