Higgs and flavour phenomenology at the lhc era

Laburpena

El pasado julio de 2012 la última pieza que restaba por comprobar del Modelo Estándar (SM) -el bosón de Higgs- fue detectada por los dos grandes experimentos multipropósito del CERN a una energía de 125 GeV. El Modelo Estándar es el marco teórico en el que se describen tres, de las cuatro interacciones fundamentales conocidas, que rigen la dinámica de todas las partículas subatómicas conocidas y que han sido observadas experimentalmente. En él se integran, pero no unifican, la teoría electrodébil -que a su vez conjuga electromagnetismo e interacción débil- y la cromodinámica cuántica, asociada a la interacción nuclear fuerte. El contenido en partículas fundamentales se puede dividir en tres secciones: bosones de gauge, fermiones de materia y el bosón de Higgs. A día de hoy, el Modelo Estándar es la teoría física más exacta y más precisamente medida habiendo superado los test experimentales con resultados sobresalientes. Sin embargo, es comúnmente aceptado por la comunidad científica que el SM no puede tratarse de una teoría final, puesto que deja numerosas cuestiones abiertas, y debería ser considerada en cambio como una teoría efectiva asociada a una cierta escala de energía. Por ejemplo, el SM no da una respuesta a cuál es la naturaleza de la materia y la energía oscura, ni a como podría cuantizarse la interacción gravitatoria, cuál es el origen de la asimetría materia-antimateria que ha dado lugar al universo en el que vivimos o qué tipo de fermiones son los neutrinos. Aparte, son muchos los interrogantes que emergen a partir de ella: ¿por qué tres generaciones de partículas?, ¿qué origen tienen o cómo se explican las estructuras de sabor en el sector quark y leptónico?, ¿hay una teoría que unifique las tres interacciones fundamentales del SM?, ¿de qué depende que mu -el parámetro del potencial de Higgs que origina la rotura espontánea de simetría- adquiera un valor negativo?, ¿existen escalas a energías mucho mayores donde nuevos efectos físicos se suceden?, ¿por qué la masa del Higgs es tan ligera?Supersimetría es un ejemplo de modelo teórico que amplía el SM y que podría dar respuesta a algunas de las preguntas formuladas anteriormente. De hecho, durante las últimas décadas, ha sido la opción más extendida y estudiada. En ella, el álgebra supersimétrica queda definida en términos de conmutadores y anticonmutadores de operadores bosónicos y espinoriales, de forma que, el Teorema de Coleman-Mandula se elude y una combinación no trivial del grupo de Poincaré -asociado a las simetrías espaciotemporales del sistema- con grupos de Lie asociados a las simetrías internas de las partículas -que determinan las interacciones que conocemos- es posible. Como consecuencia, particulas de naturaleza tan dispar como puedan ser bosones y fermiones resultan estar relacionados y se agrupan en supermultipletes. Sin embargo, supersimetría, si efectivamente se da en la naturaleza, ha de ser una simetría rota, ya que, ninguna partícula supersimétrica ha sido detectada aún. Puesto que no sabemos como se produce esta rotura de simetría, lo que se suele hacer es parametrizar nuestra ignoracia con operadores no renormalizables que la rompen explícitamente, pero de una manera suave (soft). Una vez especificadas este tipo de interacciones, junto a los Yukawas heredados del SM, análisis fenomenológicos y predicciones teóricas pueden ser calculadas y enfrentadas a los resultados experimentales actuales. MEMORIA Y RESULTADOS Los análisis fenomenológicos realizados durante el periodo de disfrute de esta ayuda y que compondrán el trabajo final de tesis pueden dividirse en dos partes: en primer lugar, estudios sobre el sector del Higgs en el MSSM generalizándolo al caso en el que haya violación explícita de CP y, en segundo lugar, un estudio sobre el origen de las estructuras de sabor que, en modelos como éste, pueden encontrarse en los acoplamientos Yukawa, en los términos de masa que aparecen en el lagrangiano soft y en los acoplamientos trilineales a través de los cuales dos sfermiones interaccionan con bosones de Higgs. Para el primer conjunto de análisis, consideramos modelos MSSM en los que la violación de CP se da a través de la presencia de fases complejas en los acoplamientos trilineares asociados a la tercera generación de sfermiones. En este marco de trabajo, nuestra primera intención es analizar si, con la implementación de todos los límites experimentales existentes, la posibilidad de identificar el escalar descubierto en el LHC con el segundo Higgs más ligero del espectro de estos modelos está aún abierta. Para ello, un patrón muy concreto de mezcla entre los bosones ha de darse: el Higgs medido ha de ser predominantemente tipo up mientras que los dos restantes han de repartirse la parte pseudoescalar y down. Esto implica que los acoplamientos de H1 y H3 con quarks tipo up quedan prácticamente suprimidos, a la vez que, los acomplamientos con quarks tipo down y leptones se potencian mucho más e, incluso, pueden llegar a ser mucho más intensos que los que se obtendrían normalmente entre un Higgs SM y este tipo de fermiones. Es por esta razón que búsquedas asociadas a Higgses desintegrándose a dos leptones tau, llevadas a cabo por CMS y ATLAS, resultan esenciales para el análisis. Para el rango de masas establecido, m(H1), m(H3) ≤ 200 GeV, y para valores medios-altos de tan(β), lo que observamos es que los límites experimentales actuales son suficientemente fuertes como para poder descartar la posibilidad de tener un Higgs neutro más ligero que H2 que, heredando los couplings anteriormente mencionados, no hubiera sido ya observado. Sin embargo, aún tenemos la posibilidad de que tan(β) sea pequeña y estos dos análisis experimentales resulten ser compatibles. Analizamos esta región del espacio de parámetros y encontramos que, efectivamente, se pueden encontrar puntos compatibles que satisfagan los límites en el canal tau-tau y que reproduzcan la señal difotón. Pero nosotros queremos utilizar todos los resultados experimentales disponibles actualmente, y eso incluye medidas y límites procedentes de la física del sabor. En particular, encontramos que el proceso inclusivo B → Xs γ resulta ser muy restrictivo haciendo que ninguno de los puntos surpervivientes comentados anteriormente sea compatible con este proceso a un nivel menor o igual a 2σ. De esta forma, haciendo uso de tres observables cuidadosamente escogidos, somo capaces de demostrar que este interesante escenario queda completamente descartado. El siguiente paso podría ser estudiar el caso en el que el Higgs a 125 GeV se correspondiera con el Higgs más pesado -H3-, pero en tal caso, las consecuencias serían similares. En conclusión, con los datos experimentales usados para el análisis, somos capaces de afirmar que el reciente bosón de Higgs descubierto y medido en el LHC ha de corresponderse, en un modelo supersimétrico como el MSSM -con o sin violación de CP-, con el Higgs neutro más ligero del espectro. En nuestro segundo análisis, tomando como hipótesis el resultado del estudio anterior y aplicando la misma metodología, analizamos el espacio de parámetros para conocer hasta que punto los resultados experimentales actuales pueden restringir la presencia de bosones de Higgs adicionales para diferentes valores de tan(β). Nuestros resultados para este escenario son los siguientes: para cualquier valor de tan(β) el límite inferior de masa para cualquier Higgs neutro está en los 300 GeV; este límite aumenta rápidamente para valores mayores de tan(β), ya que, los límites en el canal tau-tau se vuelven mucho más restrictivos. Por ejemplo, para tan(β) mayor que 30, Higgses neutros por debajo de 600 GeV quedan completamente excluídos. Como conclusión de este análisis merece la pena destacar el papel fundamental que tiene el canal tau-tau en la búsqueda de Higgses extra, así como, el hecho de incluir límites experimentales debido a procesos a bajas energías como los mencionados anteriormente. Nuestro tercer trabajo continúa en el sector del Higgs en un MSSM con violación de CP pero, ahora, estudiamos procesos con violación de sabor. Las corrientes neutras cargadas no se dan en el SM, de forma que, la posible medida de alguno de estos procesos indicaría inevitablemente la presencia de nueva física. En particular, escogemos la desintegración Hi → b+s como objeto de estudio. La razón para seleccionar éste, y no otro proceso, es el hecho de que el Higgs interacciona más intensamente con la tercera generación de fermiones a la vez que, en comparación con leptones, las interacciones de color son un factor (α3/α2)2 mayores. Además, para este análisis, se consideran dos escenarios: uno al que llamamos full MSSM, en el que las condiciones usuales de minimización del potencial se verifican y se tienen tres Higgses neutros mezclados entre sí, y el generic supersymmetric SM en el la posible presencia de más bosones neutros escalares se parametriza y, de una forma efectiva, los elementos de la matriz de mezcla se pueden estudiar como parámetros libres únicamente delimitados por datos experimentales que han de satisfacerse. Los resultados en cada uno de los casos son: para el primer modelo encontramos que BR(H1 →b+s) queda brutalmente suprimido a un valor O(10-6) debido a límites experimentales procedentes del proceso de sabor Bs → μ μ mientras que, para los Higgses más pesados, la imposición de todas las condiciones experimentales no limita demasiado los BR, que se mantienen en O(10-3). Para el segundo modelo, los resultados cualitativos se mantienen, aunque cambian significativamente los valores cuantitativos del BR del Higgs ligero. En este caso, para el Higgs más ligero, el BR aumenta hasta los O(10-4) mientras que, para los Higgses pesados, el valor del BR se mantiene igual al del caso anterior. En conclusión, aunque incluso en este último caso el BR para el Higgs descubierto queda fuera del alcance del LHC, es posible que el estudio de este tipo de procesos sea aún interesante en el contexto de colisionadores lineales. Por último, en el capítulo final de la tesis, se hace un análisis acerca del posible origen de las estructuras de sabor que se dan en algunos de los parámetros asociados a modelos supersimétricos, como el MSSM. En particular, en este trabajo, nos centramos en el estudio de simetrías à la Froggatt-Nielsen (FN) como posible mecanismo a través del cual los acoplamientos Yukawa con las adecuadas jerarquías pueden obtenerse, así como, los trilinares y las matrices de masa soft. El mecanismo de FN supone que existe una simetría de sabor y una escala a la que ésta se rompe de forma espontánea, debido a la adquisión de un vev por parte de uno o varios campos. De esta forma, términos que anteriormente eran de interacción entre flavones (φ) -campos que rompen la simetría de sabor- y los campos del MSSM pasan a ser vértices efectivos con acoplamientos Yukawa, trilineales o términos de masa. Sin embargo, para que esto se dé, uno ha de suponer que supersimetría está ya rota en el momento en el que los flavones adquieren su vev, puesto que de otra manera los términos soft no estarían presentes y, por lo tanto, no heredarían estas jerarquías de sabor. El mecanismo que nosotros escogemos para ello es gravedad. Es decir, sería a través de interacciones de origen gravitatorio como se propagaría la ruptura de supersimetría del sector oculto en el que se origina al sector visible. Por tanto, las interacciones entre el sector visible y los mensajeros vendrían suprimidas por la escala de Planck. De hecho, en este modelo tendríamos: ΛEW << ΛF < ΛSUSY = MPLANCK. Nosotros suponemos, para simplificar la discusión, la existencia de un sólo campo X cuyo F-term adquiere un vev que produciría la rotura espontánea de supersimetría. Además, realizamos nuestro análisis considerando dos grupos de sabor bastante representativos: el grupo abeliando U(1) y el no abeliano SU(3). En ambos casos, el superpotencial se especifica en términos de las interacciones entre los supermultipletes quirales, los flavones y los mensajeros. Una vez que la simetría de sabor se rompe y los flavones adquieren su vev, cada elemento de matriz de los Yukawas viene dado como una cierta potencia de <φ>/M=ε<< 1, donde <φ> es el vev y M representa la escala de los mensajeros. La potencia que corresponde a cada elemento tiene su origen en diagramas concretos que acoplan los supermultipletes quirales correspondientes con los supermultipletes asociados al Higgs a través de flavones y campos mensajeros. De esta forma, la jerarquía presente en las matrices Yukawa aparece de forma natural. Puesto que los acoplamientos trilineares surgen del superpotencial (W) cuando SUSY se rompe como: V=m3/2 W, estos se obtendían de una forma similar a los Yukawas, a partir de los diagramas obtenidos anteriormente para ellos, analizando todas las formas posibles en las que el F-term puede acoplarse. Cada una de estas formas, daría una contribución a ese elemento de matrix. De modo que: Aij = N m3/2 Yij, donde N representa esta multiplicidad asociada a cada diagrama. Para obtener los términos de masas soft el proceso es completamente equivalente. Analizamos los acoplamientos efectivos que, tras la rotura de sabor, nos generarían el elemento ij del potencial de Kähler y, a partir de ellos, los términos de masa vendrán dados considerando todas las posibilidades en las que los F-terms de X y X* pueden entrar en el diagrama. Una vez obtenidas todas las estructuras de sabor a través de este mecanismo, los campos ha de ser redefinidos para llevarlos a la base canónica y, en caso de querer estudiar su fenomenología, a la base SCKM en la que las matrices de masa de los quarks son diagonales. De esta forma, somos capaces de obtener límites complementarios a los de los grandes colisionadores para masas de gluinos y squarks. Los resultados que obtenemos para los dos grupos considerados son: para el primer caso encontramos que, efectivamente, en este modelo simplificado, los límites que se deducen de esta fenomenología de sabor podrían mejorar aquellos obtenidos en el LHC para la producción directa de gluinos; en el segundo caso, no obstante, los límites que se generan son demasiado débiles en comparación con los obtenidos por CMS y ATLAS en sus búsquedas directas de supersimetría. Nuestras conclusiones, para este trabajo, son las siguientes: la física del sabor y el origen de las jerarquías en los acoplamientos Yukawa son una de las cuestiones a las que el SM no da respuesta y que podrían dirigirnos hacia el encuentro de nueva física. Estudios que complementen las búsquedas de los grandes colisionadores son cada vez más urgentes, ya que, pueden pasar décadas hasta que se consiga la energía necesaria como para poder producir estas partículas de forma directa. Sin embargo, estudios a bajas energías con alta precisión pueden ser la clave para encontrar, de forma indirecta, los efectos de estas masivas partículas como perturbaciones a los procesos ya conocidos que se dan en el SM. BIBLIOGRAFIA G. Barenboim, C. Bosch, M.L. López-Ibáñez, O. Vives. “Eviction of a 125 GeV heavy-Higgs from the MSSM”, JHEP 11, 051 (2013). G. Barenboim, C. Bosch, M.L. López-Ibáñez, O. Vives. “Improved tau-weapons for Higgs boson hunting”, Phys. Rev. D90, 015003 (2014). G. Barenboim, C. Bosch, J. S. Lee, M.L. López-Ibáñez, O. Vives. “Flavor-changing Higgs boson decays into bottom and strange quarks in supersymmetric models”, Phys. Rev. D92, 095017 (2015). Dipankar Das, M.L. López-Ibáñez, M. Jay Pérez, O. Vives. “Effective Theories of Flavor and the Non-Universal MSSM”, pendiente de publicación en Phys. Rev. D. S. P. Martin. “A supersymmetry primer”, Adv. Ser. Direct. High Energy Phys. 18, 1 (1998). A. 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