A bsm hunting guide after run i

Zusammenfassung

La tesis doctoral tiene como objetivo explorar algunos de los diversos campos de actividad de la física de partículas tras el descubrimiento del bosón de Higgs en el LHC. Por ello, incluye trabajo tanto en extensiones del Modelo Estándar (SM) como la Supersimetría (SUSY), la formación de la estructura del universo tras el periodo de inflación primigenia y un modelo para neutrinos dextrógiros (RH-neutrino). Todo ello ha sido analizado con un cariz fenomenológico, para que la teoría no se despegue demasiado de los diferentes experimentos que pueden confirmarla o refutarla. En cuanto a SUSY se refiere, se decidió hacer un estudio fenomenológico del sector de Higgs de MSSM (modelo con un número mínimo de parámetros), usando los procesos de desintegración más útiles. Uno de los parámetros más representativos de MSSM es la relación entre los valores esperados en el vacío de los dos dobletes de Higgs de los que consta el modelo, $\tan\beta=\upsilon_2/\upsilon_1$ (tangente de beta, cociente de valores esperados en el vacío de los dobletes de Higgs), ya que ciertos procesos tienen una dependencia muy fuerte respecto a él. Suponiendo que puede haber violación de CP en el sector de Higgs, pudimos determinar que para ajustar los datos del canal $H\rightarrow\gamma\gamma$ (Higgs desintegrándose en dos fotones), era necesario que la naturaleza del Higgs de 126 GeV fuese prácticamente de tipo "up". Sabiendo que los otros dos bosones neutros debían ser una mezcla de tipo "down" y pseudoescalar, era obvio que uno de los procesos más restrictivos iba a ser $H_i\rightarrow\tau\tau$ (Higgs desintegrándose en leptones tau y antitau). Este proceso, cuyo "branching ratio" (BR) crece con $\tan\beta$ (tangente de beta), es el más restrictivo para valores grandes de este parámetro. Para valores intermedios o bajos del mismo, se seleccionó un proceso indirecto de violación de sabor, $b\rightarrow s\gamma$ (quark b desintegrándose en quark s más fotón), con un BR inversamente proporcional a $\tan\beta$ (tangente de beta). Con estas herramientas se pudo concluir que, en el contexto de MSSM, no hay posibilidades de encontrar un Higgs más ligero que el descubierto a 126 GeV y que, de encontrar nuevos bosones pesados, como mínimo aparecerán a una escala de 300 GeV. Dado que MSSM o SUSY en general podría existir pero a escalas mucho mayores que las alcanzables en el LHC, resulta importante buscar formas indirectas de poder confirmar nueva física. La experiencia previa con el proceso $b\rightarrow s\gamma$ (quark b desintegrándose en quark s más fotón) resulta un buen indicador para poder encontrar caminos interesantes que cumplan con este objetivo. Por ello, se ha realizado un análisis de los procesos de desintegración del Higgs con violación de sabor, concretamente $H\rightarrow bs$ (Higgs desintegrándose a quark b más quark s). La importancia de este proceso es que en el SM está muy suprimido, pero puede tener mayores aportaciones a nivel loop en el caso de SUSY. Además, dado que en ese loop las superpartículas más pesadas entran en términos sin dimensiones, no importa lo elevadas que sean sus masas, ya que sus efectos serán mensurables igualmente. En el desarrollo de este análisis se hizo uso de todos los mecanismos de los trabajos anteriores, además de desarrollar el cálculo del BR de $H\rightarrow bs$ (Higgs desintegrándose a quark b más quark s) mediante las inserciones de masa. Las conclusiones a las que se llegó fueron que, efectivamente, este proceso de desintegración está muy desfavorecido, llegando a un BR $\sim10^{-6}$ (límite superior de aproximadamente 10^(-6)) en el mejor de los casos para el Higgs de 126 GeV. De encontrarse un nuevo bosón de Higgs, si este fuera uno de los pertenecientes al MSSM, el BR de su desintegración en quarks mediante violación de sabor mejoraría en tres órdenes de magnitud, siendo más fácilmente medible. También se hizo un análisis independiente del modelo SUSY concreto, con mejoras de un orden de magnitud en cada caso. De cualquier modo, no habiéndose encontrado ningún nuevo bosón neutro, lo necesario sería contar con un nuevo colisionador de mayor precisión para poder realizar las medidas en el ya conocido Higgs que hasta ahora se muestra completamente estándar. Como fue mencionado al inicio, no toda la tesis se centró en explorar MSSM, sino que también se hizo incursiones puntuales en otras áreas. Una de ellas fue la cosmología, donde a día de hoy continúa sin haber un modelo concreto que explique el periodo de inflación tras el Big Bang y sea aceptado por la comunidad científica. Un método para discriminar entre diferentes modelos de inflación es la búsqueda de un comportamiento no-gaussiano en la función de correlación que depende de la escala en los halos, grandes densidades de materia que han colapsado por atracción gravitatoria, ya que el comportamiento gaussiano sería el estándar correspondiente a un modelo de inflación de una sola partícula. Esta función de correlación se define a través de la función bispectro, la cual se deriva del modelo de inflación. En el caso de esta tesis, se buscó estudiar la función de correlación de tres puntos en el límite en el que uno de sus momentos es mucho más pequeño de los otros, ya que es el caso en el cual es posible distinguir unos modelos de otros. Para ello, el estudio se basó en un modelo de inflación con dos campos, uno de ellos muy pesado que sólo afecta a la curvatura, mientras el otro se comporta como un inflatón cuyo potencial realiza un "slow-roll", el modelo más habitual en la literatura. Con este trabajo establecimos ciertos límites para los parámetros del modelo, que determinan la amplitud de la no-Gaussianidad y su forma, basándonos en las observaciones que se pueden hacer estudios de grandes estructuras. Actualmente, tanto estos estudios como Planck han restringido enormemente las posibilidades de encontrar un comportamiento no-gaussiano, ya que no ha habido ninguna observación que lo respalde. La tesis doctoral finaliza con la exploración de otra área de la física de partículas, que es la física de neutrinos. En la actualidad es un área muy activa debido a conocer que los neutrinos cuentan con masa (observación de oscilaciones de neutrinos) y no haber encontrado nueva física relacionada con ninguna otra propuesta teórica, siendo el de los neutrinos uno de los problemas abiertos más interesantes. Para ofrecer una posible explicación de esta masa, se supone la existencia de RH-neutrinos (son estériles, es decir, no interactúan más que por gravedad), los cuales todavía no han sido observados, y se crea un modelo con el potencial de explicar su dinámica. Basándose en el modelo de condensación del quark top de Bardeen, Hill y Lindner, se suponen dos generaciones de RH-neutrinos (por simplificar) que condensan en escalares compuestos, bien sea mediante la gravedad u otra interacción atractiva no conocida. Tras definir el potencial efectivo de estos escalares compuestos, se procede a desarrollar el modelo, estableciendo tres escalas de rotura de simetría, la más alta siendo una rotura espontánea U(2)$\rightarrow$U(1) (U(2) rompiéndose a U(1)), seguida de una rotura explícita del número leptónico y otra más baja debida a su Yukawa, todas ellas con los bosones masivos asociados a las mismas. Como la tesis siempre buscó una contraparte fenomenológica a toda la teoría expuesta en ella, con este modelo se ofreció cómo para selecciones de los valores de los parámetros, las cuales no requieren un ajuste extremadamente fino, podría haber una generación de ondas gravitacionales detectable debida a la rotura espontánea de simetría, con lo cual, de observarse señales similares, se podrían ajustar los parámetros y ver si efectivamente son indicios que pudieran confirmar el modelo.