Published September 20, 2013 | Version v1
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Top-down and bottom-up excursions beyond the Standard Model: The example of left-right symmetries in supersymmetry

Description

The field of high-energy physics has been living a very exciting period of its history with the Large Hadron Collider (LHC) at CERN collecting data. Indeed, this enormous machine able to collide protons at a center of mass energy of 14 TeV promises to unveil the mystery around the physics at such energy scales. From the physicists side, the expectations are very strong as it is nowadays a certitude that the Standard Model of particle physics is incomplete and should, in fact, be interpreted as the effective theory of a more fundamental one. Unfortunately, the 7 and 8 TeV runs of the LHC did not provide any sign of new physics yet but there has been at least one major discovery in 2010, namely the discovery of a scalar particle with a mass of 125 GeV and which properties are very close to those of the Standard Model Higgs boson. Since then, many questions have come up as we now want to understand if it really is the Standard Model Higgs boson or if it exhibits any deviations. It is in this peculiar context that my research work was carried. In a first project, we, my supervisors, our collaborator and I, have wanted to explore the phenomenology associated with the neutralinos and charginos sector of the left-right symmetric supersymmetric model. Such an analysis can be motivated by several reasons such as the fact that the supersymmetric nature of these models provides a natural explanation for the infamous hierarchy problem, implies the unification of the gauge coupling constants at very high energy and provides a natural candidate for dark matter. In addition to these nice features, the left-right symmetry introduces a natural framework for explaining the smallness of neutrino masses but also helps in addressing several other unresolved issues in the Standard Model framework. Only focusing on the lightest charginos and neutralinos decaying into one or more light leptons, we have shown in our study that these models can be easily discovered in multi-leptonic final states as they lead to signatures very different from those induced by the Standard Model or its supersymmetric version. In a second project, we have explored the phenomenology associated with doubly-charged particles. The discovery of such particles would be an irrefutable proof of new physics but would also raise the problem of knowing which model describes best their properties. Starting from the hypothesis that a particle carrying a two-unit electric charge is discovered at the LHC, we have carried an analysis which aim was to provide some key observables that would help in answering the latter question. To do so, we have adopted a model-independent approach where the Standard Model field content is extended minimally to contain a scalar, fermionic or vector multiplet transforming either as a singlet, doublet or triplet under SU(2)L. The hypercharge of the latter field is chosen so that the highest electric charge carried by its components is equal to two and the Standard Model Lagrangian is extended to account for the new interactions. In our results, we have shown that the experimental constraints could be evaded easily so that the new fields can have a mass at least equal to 100 GeV. In addition, we have shown that, in the hypothesis that no other signal of new physics exists, only a combination of several kinematical distributions can help in distinguishing between the cases we have considered. Another part of my thesis, complementary to the phenomenology work, has consisted in developing computer programs that might be helpful for phenomenological studies. Working in the framework of the Mathematica package FeynRules, I took part in the development of a routine able to extract automatically the analytical expressions of the renormalization group equations at the two-loop level for any renormalizable supersymmetric model. I have also been involved in the development of another module of FeynRules able to extract automatically the analytical expressions for the mass matrices associated to any model implemented in FeynRules and to export these equations in the form of a C++ source code able to diagonalize the matrices and store the mixing matrices as well as the spectrum in an SLHA-compliant file. (author)

Abstract (French)

Une tres grande effervescence secoue le monde de la physique des particules depuis le lancement du grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN. Cette enorme machine capable de faire se collisionner des protons a des energies egales a 14 TeV promet de lever le voile sur la physique regissant les interactions a ces echelles d'energies. Ces resultats sont d'autant plus attendus que l'on a acquis la certitude que le Modele Standard de la physique des particules est incomplet et devrait, en fait, etre interprete comme la theorie effective d'une theorie plus fondamentale. Toutefois, depuis le lancement des experiences au LHC avec des energies de 7 puis de 8 TeV aucun signe de nouvelle physique n'a ete decouvert. Par contre, un enorme bond en avant a ete franchi avec la decouverte d'une particule scalaire de masse egale a 125 GeV et dont les proprietes sont relativement proches de celles du boson de Higgs telles que predites par le Modele Standard. C'est dans ce contexte de forte emulation internationale que mon travail de these s'est inscrit. Dans un premier temps, nous avons voulu explorer la phenomenologie associee au secteur des neutralinos et charginos du modele supersymetrique symetrique gauche-droit. Cette etude peut etre motivee par plusieurs raisons notamment le fait que leur caractere supersymetrique apporte une solution au probleme dit de la hierarchie mais implique aussi l'unification des constantes de jauge ainsi que l'explication de la matiere noire. L'introduction de la symetrie entre les fermions gauchers et les fermions droitiers permet, quant a elle, d'expliquer naturellement, via le mecanisme dit de la balancoire, la petitesse de la masse des neutrinos mais aussi de repondre a plusieurs autres questions non solubles dans le cadre du Modele Standard. Nous concentrant uniquement sur le secteur des charginos et neutralinos les plus legers, nous avons montre que ces modeles peuvent etre facilement mis en evidence dans les evenements multi-leptoniques en ce sens que les signatures qu'ils induisent sont tres differentes comparees a celles du Modele Standard et de sa version supersym etrique. Dans un second temps, nous avons voulu explorer la phenomenologie associee aux particules doublement chargees. La decouverte de telles particules representerait une preuve incontestable de nouvelle physique mais souleverait beaucoup de questions notamment le fait de savoir quelle theorie decrit le mieux leurs interactions. Dans notre analyse nous sommes partis du postulat qu'une telle particule etait detectee au LHC et avons essaye de donner quelques cles qui permettraient de comprendre la theorie qui decrit le mieux cette decouverte. Pour ce faire nous avons considere des particules doublement chargees scalaires, fermioniques ou vectorielles se transformant trivialement, dans la fondamentale ou l'adjointe du groupe SU(2)L et avons ecrit, pour chaque cas, le Lagrangien effectif decrivant les interactions de ce nouveau champ avec ceux du Modele Standard. Nous concentrant uniquement sur les evenements ou la multiplicite de leptons dans l'etat final est au moins egale a trois, nous avons montre que les limites experimentales pouvaient etre facilement contournees et qu'ainsi des particules doublement chargees avec une masse superieure a 100 GeV n'etaient pas encore totalement exclues. Nous avons aussi analyse les observables cinematiques associees a chacun des cas envisages et avons conclu que, en l'absence de tout autre signal de nouvelle physique, il fallait combiner plusieurs variables cinematiques pour pouvoir discriminer de maniere claire entre les differentes possibilites. Un autre volet, complementaire au precedent, de ma these a consiste a developper des modules informatiques dans le cadre du programme FeynRules. J'ai ainsi participe au developpement d'une routine capable de calculer, automatiquement, les equations du groupe de renormalisation au niveau de deux boucles associees a toute theorie supersymetrique renormalisable. Un autre travail dans lequel j'ai pris une part importante a consiste a developper un generateur de spectre dans FeynRules. L'idee a ete de doter ce dernier d'un ensemble de routines capables d'extraire les matrices de masse associees a n'importe quel Lagrangien automatiquement puis d'exporter ces matrices sous la forme d'un code source en C++ capable de diagonaliser ces matrices et de retourner dans un fichier SLHA les matrices de melange ainsi que le spectre en masse. (auteur)

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Original title (English)
Excursions 'top-down' et 'bottom-up' au-dela du modele standard: l'exemple des symetries gauches-droites en supersymetrie

Publishing Information

Imprint Pagination
169 p.
Report number
FRNC-TH--14355

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Notes
211 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses