Probing beyond the Standard Model physics using effective field theory

Abstract

Ara que el LHC ha proporcionat 120 fb-1 de dades, l'evidència d'una diferència d'energia entre el model estàndard (SM) i la nova física ha augmentat. Això fa que la teoria de camps efectiva (EFT) sigui un mètode versàtil per restringir la nova física amb una dependència mínima del model. En aquesta tesi, basada en el meu treball realitzat durant la meva candidatura a doctorat [1-4], fem ús de la tècnica EFT en diversos estudis. Comencem per estudiar l'extracció de acoblament trilineal del Higgs en els col·lisionadors actuals i futurs de leptons, utilitzant correccions de següent ordre en la producció de Higgs i producció de Higgs doble. Els nostres anàlisis minimitzen la dependència del model gràcies a l'ús de l'EFT. Argumentem que per restringir les diferents possibles desviacions al Model Estàndard, un ajust global amb la inclusió de tants observables com sigui possible és necessari. Hem trobat que la inclusió del trilineal en els processos únics d'Higgs tindrà un efecte marginal a LHC aconseguint una precisió d'ordre ú. La situació és diferent els futurs col·lisionadors de leptons, on l'alta precisió i la diferent energia de centre de masses poden donar el 50% de precisió. A continuació, ampliem l'EFT afegint un singlet escalar per estudiar les propietats del CP de la partícula que podria haver estat amagada després de l'infame excés de di-fotons a 750 GeV. Definim les asimetries sensibles al CP, tant en els canals de fusió de vectors com gluons, i estudiem el seu poder de diferenciar entre el CP imparell o fins i tot les hipòtesis. Finalment, ens movem de l'EFT i considerem un model simplificat de Higgs compost per comparar les mesures a baixa energia procedents de la mesura del dipol elèctric (EDM) de neutrons i electrons, amb les cerques al LHC. La teoria de camps efectiva no està completament absent, ja que calculem les correccions de dos loops al EDM de quarks i leptons lleugers que coincideixen amb el nostre model simplificat per als operadors de dimensions superiors i obtenim límits per al nostre model. A continuació, adaptem les cerques de l'LHC i comparem els límits actuals i futurs Hem trobat que el límit actual és competitiu amb el que proveeix la cerca directa de LHC, que és d'uns quants TeV. La futura actualització de l'experiment que permetrà mesurar el moment dipolar d'electrons ha de portar els límits al rang de 5-10 TeV.

Now the LHC has provided 120 fb−1 of data, the evidence for an energy gap between the Standard Model (SM) and new physics has grown strong. This makes effective field the- ory (EFT) a versatile method to constrain new physics with minimal model dependence. In this thesis, based on work done during my PhD candidature [1–4], we make use of EFT techniques in a variety of studies. We start by exploring the prospect of extracting the Higgs trilinear self-coupling at current hadron and future lepton colliders, using both higher order corrections to the single-Higgs process and di-Higgs production. Our anal- ysis minimizes model dependence thanks to the use of EFT. We argue that in order to constrain the different possible deviations to the Standard Model, a global fit with the inclusion of as many observables as possible is needed. We found that the inclusion of the trilinear correction in single-Higgs processes has a marginal effect at the LHC and will give a bound on the trilinear of order one. The situation is different at lepton col- liders, where the high precision and different running energies can give bound of order 50%. We then extend our EFT by adding a scalar singlet to study the CP properties of the particle which could have been behind the infamous 750 GeV di-photon excess. We define the CP sensitive asymmetries, in both the vector and gluon fusion channels, and study their power to differentiate between the CP odd or even hypotheses. Finally, we move somewhat away from EFT, and use a simplified model to compare the constraints on composite Higgs models coming from low energy neutron and electron electric dipole moment (EDM) measurements and LHC searches. Effective field theory is not completely absent, since we compute the two loop corrections of the light quarks and leptons EDM to match our simplified model to the higher dimensional operators of a low energy effective Lagrangian, and obtain bounds for our model. We then recast LHC searches and compare the present and future bounds. We found that the current bounds are competitive with the one coming from the LHC direct search and are of order a few TeV. The future upgrade of the experiment measuring the electron dipole moment should bring the bounds to the 5-10 TeV range.