Teorías efectivas aplicadas a la física más allá del Modelo Estándar

Abstract

El Modelo Estándar es la teoría que engloba nuestro conocimiento actual sobre las interacciones fundamentales, pero tenemos numerosas razones, tanto teóricas como experimentales, para creer que la historia no acaba aquí y debe haber física más allá. Sin embargo, pese a décadas de búsqueda en un amplio rango de energías, todavía no hemos encontrado señales claras de nueva física. Esto motiva el uso de Teorías de Campos Efectivas como una manera muy eficiente de realizar la búsqueda, ya que permite dividir el problema en dos partes independientes: una parametrización agnóstica de las posibles desviaciones del Modelo Estándar y la conexión entre estas desviaciones y modelos concretos de nueva física. Esta traducción se puede realizar a varios niveles en un desarrollo perturbativo, y tanto la creciente precisión de los experimentos como la necesidad de capturar algunos efectos de lo contrario ausentes requiere su realización a nivel lazo. El hecho de ser dependiente del modelo hace que calcularlo para el vasto número de posibles modelos que nos podrían interesar sea complejo y propenso a errores. La automatización de esta tarea sería por tanto muy útil a la hora de simplificar esta conexión entre nuestras teorías y sus consecuencias experimentales y es un problema que se aborda en esta tesis. Además de por su eficiencia, las Teorías de Campos Efectivas nos proporcionan un mecanismo para ordenar las mencionadas desviaciones por su tamaño, de forma que solo un conjunto de las mismas es observable a una precisión finita. Esto nos permite clasificar, de forma bidireccional, todos los posibles modelos de nueva física y todos los efectos que generan, construyendo así un diccionario Infrarrojo/Ultravioleta. En esta tesis calculamos parcialmente este diccionario a un lazo para el caso del Modelo Estándar. Finalmente, usamos las herramientas previamente desarrolladas para su aplicación a un caso fenomenológicamente relevante, en concreto sobre la tensión observada en el momento magnético del muón. Proponemos no solo una nueva clase de modelos para explicar esta tensión sino también un modelo específico como ejemplo para explicar también otras anomalías.

The Standard Model is the theory that comprises our current understanding of fundamental interactions, but we have several reasons, both theoretical and experimental, to believe that it cannot be the end of the story and there must be new physics beyond it. However, despite decades of search over a long range of energies, we still do not have clear signatures of new physics. This motivates the use of Effective Field Theories as an efficient way of performing the search, because it allows to split the problem in two steps: an agnostic parametrization of the possible deviations of the Standard Model and the connection between these deviations and models of new physics. This translation can be done at various levels in a perturbative expansion, and both the increasing precision in experiments and the necessity of capturing some otherwise missing effects require performing it at one loop. Being a model-dependent process makes it cumbersome and prone to errors to do it for the large number of possible models that we could be interested in. The automatization of this task would be therefore very useful to simplify the connection between theories and experimental consequences and it is a problem we address in this thesis. Besides its efficiency, Effective Field Theories provide us the mechanism to order the mentioned deviations by their size, so that only a number of them are observable at a finite experimental precision. This allows us to classify bidirectionally all possible models of new physics and all the effects they generate, thus constructing an Infrared/Ultraviolet dictionary. In this thesis we partially compute this dictionary at one loop for the case of the Standard Model. Finally, we apply the tools previously developed to perform a phenomenologically relevant analysis, in particular concerning the observed tension in the magnetic moment of the muon. We propose a new class of models to account for this tension and a specific example of a model addressing other anomalies as well.