Published March 4, 2022 | Version v1
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Extensions of the scalar sector. From compositeness to dark matter and back

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Description

Composite Higgs models are a branch of 'Beyond the Standard Model' theories which seek to address the hierarchy problem inherent to the current formulation of the Standard Model. In this thesis, we discuss and implement extensions to the scalar sector of the Standard Model, focusing on models of compositeness and their associated phenomenology. A key area of interest is then the appearance of compositeness at current and future colliders, which can be used to motivate the choice of the new era of experimental programs. To that end, this work details the construction of a number of effective models which are testable at colliders, and which are linked as extensions to the scalar sector. We include a comparison of twelve minimal composite Higgs modes featuring an underlying fermionic completion, and discuss ubiquitous features expected across all such models, including a light pseudo-scalar, which is shown to be reachable at future lepton colliders with the help of machine learning techniques. The study also reveals the consideration of bottom quarks in fermion-loops coupling the light scalar to SM states to be non-negligible. Phenomenology at future lepton colliders is extended through a study of the most minimal composite Higgs model of this nature, SU(4)/Sp(4), where we outline a potential search for the heavy pseudo-Nambu Goldstone boson η, considering both fermiophobic and fermiophilic couplings. While composite Higgs models seek primarily to address the separation of the electroweak and Planck energy scales, some such models may also produce dark matter candidates. We conclude this work with an investigation into heavy dark matter which couples to the top-sector of the Standard Model via a t-channel interaction, situating it within a composite Higgs model through its interaction with a heavy fermionic mediator and a top partner. Finally, the visibility of the model at colliders and astrophysical experiments is examined. (author)

Abstract (French)

Le modele Standard, qui gouverne la physique des particules, est une theorie tres etablie. Dans cette theorie, les champs et les forces sont gouvernes par une combinaison de relativite et de mecanique quantique. Ces dernieres annees, les propositions d'extension ou de modification du modele Standard (MS) se sont rapidement multipliees. Ces extensions sont dues a des questions irresolues qui suggereraient que la theorie n'est pas complete. La decouverte du boson de Higgs a ete consideree comme la confirmation d'une theorie presentee pour la premiere fois dans les annees 1960. Sans cette theorie, le SM ne pourrait pas prevoir l'univers dans lequel nous nous trouvons. Cependant, sa decouverte a egalement ouvert la voie a un certain nombre de questions sur la nature du SM. L'une de celles est le probleme de la hierarchie. En effet l'echelle de l'EWSB choisie par la nature est anormalement basse par rapport a l'echelle de Planck, qui est la borne energetique superieure de la theorie. Un certain nombre de modeles ont ete presente pour resoudre ce probleme du 'non naturel'. Une piste de recherche prometteuse est celle des modeles composites, qui sont le sujet principal de cette these. Dans ces modeles, le boson de Higgs se defait de sa nature elementaire et apparait comme un etat lie de fermions fondamentaux, soumis a une nouvelle interaction forte. Les modeles composites remplacent le secteur scalaire du modele Standard par un secteur regi par une dynamique forte. Dans ce secteur, les fermions fondamentaux possedent une symetrie globale de saveur. Le groupe 'hypercolor' qui gouverne les fermions est laisse ininterrompu dans la theorie, mais le groupe de 'flavour' est divise en un sous-groupe. Ces modeles sont confines aux basses energies. Le boson de Higgs est un etat lie de fermions confines par une interaction de jauge forte, qui se condensent a l'echelle caracteristique du confinement [5]. Tout comme en Quantum Chromo Dynamic et en technicolor, la symetrie de 'flavour' est dynamiquement brisee en un sous-groupe par un processus de condensation. Dans cette these, nous presentons un nombre d'etudes sur la phenomenologie des extensions au secteur scalaire de la physique des particules. Nous nous concentrons principalement sur les modeles composites et presentons de nombreuses facons dont ils peuvent etre vus dans les collisionneurs. Nous proposons des motivations de recherche sur les futurs collisionneurs. L'accent est mis sur les modeles comportant des fermions sous-jacents, et nous presentons egalement des motivations theoriques tout en mentionnant les contraintes existantes. Dans cette these nous considererons douze configurations possibles du modele composite de Higgs et utilise des techniques de 'machine learning' pour ameliorer les analyses traditionnelles. Nous etudions la phenomenologie des particules supplementaires qui apparaissent avec le Higgs dans les modeles composites. Ceci inclut un pseudo-scalaire qui apparait en raison d'une brisure de symetrie U(1). La description du Higgs dans un modele composite offre non seulement une solution au probleme de hierarchie, mais peut aussi naturellement generer un candidat de matiere noire de multiples facons. Enfin, nous presentons une tentative pour decrire un candidat de matiere noire lourd dans un modele composite, en envisageant que le candidat de matiere noire se presente comme une resonance scalaire. (auteur)

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Original title (English)
Extension du secteur scalaire. Des modeles composites a la matiere noire

Publishing Information

Imprint Pagination
141 p.
Report number
FRNC-TH--14341

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
54054436
Subject category
S72: PHYSICS OF ELEMENTARY PARTICLES AND FIELDS;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
COMPOSITE MODELS; HIGGS MODEL; NONLUMINOUS MATTER; SU-4 GROUPS; WIMPS
Descriptors DEC
ELEMENTARY PARTICLES; LIE GROUPS; MATHEMATICAL MODELS; MATTER; PARTICLE MODELS; POSTULATED PARTICLES; SU GROUPS; SYMMETRY GROUPS

Optional Information

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