The interplay between collider and astrophysical probes of non-minimal composite Higgs models

Abstract

The Higgs boson is the most recently discovered particle in the Standard Model of particle physics. While its presence is compatible with the fundamental principles of our description of Nature, such scalar, if elementary, seems to make our Universe incredibly unnatural. A plausible explanation to restore a natural Universe is therefore that the Higgs is composite, made out of new fermions bound together by a new strong force. Composite Higgs models provide a consistent way to incorporate this idea, while justifying why the new sector may have eluded the numerous searches for these models conducted at particle experiments. Such searches can lose sensitivity to non-oversimplified (non-minimal) composite Higgs models in which new electroweak particles arise along with the Higgs boson but have not been searched for in conjunction with the latter. Using such non-minimal realizations, we aim to answer the following questions: Can compositeness, one of our traditional solutions for naturalness in the Higgs sector, still fulfill its purpose while shedding light on other problems in particle physics? If so, where can the most interesting aspects of the phenomenology arise? Driven by these questions, we will construct several composite Higgs models with candidates to solve long-standing questions, from the generation of the baryon asymmetry to the nature of dark matter, and study their viability by collecting collider and astrophysical probes. On a complementary approach, we will also build non-minimal effective field theories, independent of the details of the physics at the ultraviolet, to explore new signatures of the lightest composite particles, as well as to compute the energy evolution of the parameters in the theory, required for a meaningful interpretation of the bounds collected by different experiments across several energy scales.

O bosão de Higgs é a partícula mais recentemente descoberta no Modelo Padrão da física de partículas. Embora a sua existência seja compatível com os princípios fundamentais da nossa descrição da Natureza, este escalar, sendo elementar, parece fazer do nosso Universo um lugar extraordinariamente antinatural. Uma explicação plausível para restaurar um Universo natural é, portanto, que o Higgs seja uma partícula composta, constituída por fermiões ainda desconhecidos, de um novo sector de interações fortes. Os modelos de Higgs composto providenciam uma maneira consistente de incorporar esta ideia justificando, ao mesmo tempo, por que razão este sector poderia ter iludido as várias pesquisas experimentais, conduzidas no intuito de descobrir estes modelos, em aceleradores de partículas. Estas pesquisas podem perder sensibilidade a modelos de Higgs composto complexos (não-mínimos), em que, para além do bosão de Higgs, surgem novas partículas à escala eletrofraca, que não foram procuradas em conjunto com o primeiro. Usando estas realizações não-mínimas, pretendemos responder às seguintes questões: Podem ainda estas teorias compostas, sendo uma das nossas soluções tradicionais para a naturalidade no sector do Higgs, atingir os seus objetivos, bem como oferecer soluções para outros problemas da física de partículas? Se sim, onde poderão ser esperados os aspetos mais interessantes da fenomenologia destes modelos? Motivados por estas questões, construiremos vários modelos de Higgs composto com candidatos para resolver questões colocadas há várias decadas, desde a geração da assimetria entre bariões e anti-bariões até à natureza da matéria escura, estudando a sua viabilidade através da recolha de dados de experiências astrofísicas e em colisionadores. Numa abordagem complementar, construiremos também teorias efetivas não-mínimas, independentes dos detalhes da física no ultravioleta, com os objetivos de investigar novas assinaturas das partículas compostas mais leves e calcular a evolução dos parâmetros da teoria com a energia, o que é necessário para uma interpretação correta dos constrangimentos experimentais recolhidos por diferentes experiências a diversas escalas de energia.

El bosón de Higgs es la partícula del modelo estándar descubierta más recientemente. Aunque su existencia es compatible con los principios fundamentales de nuestra descripción de la naturaleza, este escalar, si es elemental, parece hacer de nuestro Universo un lugar extraordinariamente antinatural. Una explicación plausible para restaurar un Universo natural es, por tanto, que el Higgs sea una partícula compuesta, formada por fermiones aún desconocidos, de un nuevo sector de interacciones fuertes. Los modelos de Higgs compuesto proporcionan una forma consistente de incorporar esta idea, al tiempo que justifican por qué este sector podría haber eludido las diversas búsquedas experimentales realizadas para descubrir las nuevas partículas en aceleradores. Estas búsquedas pueden perder sensibilidad a modelos de Higgs compuesto complejos (no mínimos), en los que, además del Higgs, emergen nuevas partículas a la escala electrodébil, pero que no se han buscado junto con el primero. Utilizando estos modelos no mínimos, tenemos la intención de responder las siguientes preguntas: ¿Pueden estas teorías de Higgs compuesto, siendo parte de nuestras soluciones tradicionales para la naturalidad en el sector de Higgs, aún lograr sus objetivos, así como brindar soluciones a otros problemas en la física de partículas? Si es así, ¿dónde cabe buscar los aspectos más interesantes de la fenomenología de estos modelos? Motivados por estas preguntas, construiremos varios modelos de Higgs compuesto con candidatos para resolver misterios cuyo origen se remonta décadas atrás, desde la generación de asimetría entre bariones y antibariones hasta la naturaleza de la materia oscura, estudiando su viabilidad mediante la recopilación de datos de experimentos astrofísicos y en colisionadores. En un enfoque complementario, también construiremos teorías efectivas no mínimas, independientes de los detalles de la física en el ultravioleta, con el fin de investigar nuevas señales de las partículas compuestas más ligeras y de calcular la evolución de los parametros de las teorías según cambia la energía, lo cual es necesario para una correcta interpretación de los datos experimentales recopilados por diferentes experimentos a distintas escalas.