New phenomenological tests for supersymmetric theories with SU(5)-like unification
Description
In this thesis, we explore the consequences at low energies of supersymmetric grand unified theories (SUSY-GUT) based on the Lie group SU(5). These models constitute the prototype of minimal SUSY GUT and as such, have been intensively studied in the last decades. In particular, the quark-lepton unification in the Yukawa sector has received a lot of attention. The originality of our approach is to stay within the up-squark sector, where we have shown that as of a run noticed SU(5) induced symmetry relation emerges, way less model dependent than the one aforementioned. Indeed, we demonstrate that a supersymmetric model, equipped with a SU(5) gauge symmetry generically implies that the up-squark trilinear term AU is symmetric at the GUT scale, namely that AU = ATU. This relation is only mildly spoiled by the renormalization group running, and remains well preserved at the TeV scale, leaving thus a SU(5) footprint in the low scale SUSY spectrum. This allows to build a series of phenomenological SU(5) tests on low scale SUSY spectra, potentially accessible at the LHC. Most of these tests generically consist in determining a certain relation among low scale observables. We exhibit such relations for three different sort of SUSY spectra, namely 'Heavy SUSY' spectra which feature a SUSY breaking scale well above the TeV scale, 'Natural SUSY' spectra which feature a light third scalar generation and 'Top Charm SUSY' spectra in which only the first scalar generation is kept heavy. We have developed a generic method, based on a p-value frequentist statistical test to quantify to which significance one can assess a departure from these low scale constraints relations, in the three above-mentioned types of SUSY spectra. Typically, for each of the tests, Ο(10-100) events are necessary in the processes considered, to assess a departure of 50% at 3σ level of significance. It should be mentioned that experimental techniques such as charm tagging or top - polarimetry play a crucial role to apply these tests at current colliders, such as the LHC. The second part of this thesis is devoted to a more global numerical analysis, based on Bayesian model comparison methods, and applicable to any kind of spectrum whatever its hierarchy. In this context, we have developed a numerical method based on a Markov Chain Monte Carlo algorithm allowing to test, given an observed low energy spectrum, with which significance it points or not toward a high scale SU(5) dynamic. Again, we have considered several cases depending on the amount of information that will be collected on the squark spectrum at the LHC. We find that typically, the constraining power of these would be collected information is too low to draw any conclusion on a possible SU(5)-like high scale dynamic, except in certain cases, when the uncertainties attached to the observables considered are reduced to Ο(1%) and/or when spectra far from being SU(5)-symmetric are considered. In this last case, this analysis seems to disfavor the presence of a GUT scale SU(5) symmetry with weak evidence. (author)
Abstract (French)
Dans cette these, nous explorons les consequences aux basses energies des modeles supersymetriques de grande unification (SUSY-GUT) bases sur le groupe de Lie SU(5). Ces modeles constituent les prototypes des modeles SUSY-GUT et, en tant que tels, ont recu beaucoup d'attention au cours des dernieres decennies. En particulier, l'unification quark-lepton dans le secteur de Yukawa a ete l'objet de nombreuses etudes. L'originalite de notre approche est de rester confine au secteur des squarks hauts, ou nous avons montre qu'une relation de symetrie induite par SU(5) apparait, a notre connaissance jusqu'a present non etudiee, et bien moins dependante de la realisation particuliere du modele que l'unification quark lepton. En effet, nous avons demontre qu'un modele supersymetrique equipe d'une symetrie de jauge SU(5) implique de maniere generale un couplage trilineaire dans le secteur des squarks hauts AU symetrique i.e. AU = ATU a l'echelle GUT. Cette relation reste bien preservee par les equations du groupe de renormalisation durant son evolution jusqu'a l'echelle du TeV, laissant ainsi une empreinte de la symetrie de grande unification dans le spectre supersymetrique aux basses energies. Cela etant etablie, nous pouvons construire une serie de tests phenomenologiques sur les spectres SUSY de basses energies, potentiellement accessibles au LHC. La plupart de ces tests consistent a determiner une certaine relation parmi les observables de basses energies. Nous avons reussi a exhiber de telles relations dans trois sortes de spectre SUSY, a savoir les spectres 'SUSY lourds' dans lesquels l'echelle de brisure del a SUSY est bien plus elevee que l'echelle du TeV, les spectres de 'SUSY naturels' ou la troisieme generation de scalaire est legere et enfin les spectres de 'SUSY Top-Charm' dans lesquels seule la premiere generation de scalaire est gardee lourde. Nous avons developpe une methode generique, basee sur des tests statistiques frequentistes reposant sur le calcul d'une valeur p, pour quantifier avec quelle significativite des ecarts a ces relations de contrainte peuvent etre detectes, dans chacun des trois cas mentionnes plus haut. Typiquement, pour chacun des tests, environ Ο(10-100) evenements sont necessaires dans chacun des processus consideres, pour etablir un ecart de 50% des relations tests a un niveau de significativite de 3σ. Notons que des techniques experimentales telles que l'identification des jets charmes ou la polarimetrie du top, jouent un role essentiel dans la mise en oeuvre de ces tests aux collisionneurs actuels, tel quele LHC. La seconde partie de cette these est consacree a une analyse numerique plus globale, basee sur les techniques bayesiennes de comparaison de modeles et applicable a toutes sortes de spectres quelque soit leurs hierarchies. Dans ce contexte, nous avons developpe une methode numerique basee sur un algorithme de simulation de Monte Carlo par Chaine de Markov. Cette algorithme permet de tester, etant donne un certain spectre, avec quelle significativite celui-ci pointe ou non vers une symetrie SU(5) a haute energie. a nouveau, nous avons considere plusieurs cas, selon la quantite d'information qui pourrait etre collecte au LHC sur le spectre des squarks hauts. Nous trouvons que typiquement, ces informations ne contraignent pas suffisamment le spectre pour pouvoir tirer une conclusion quant a la presence d'une symetrie SU(5) a haute energie, exception faite de certains cas, ou les incertitudes des observables sont reduites a des valeurs de l'ordre de Ο(1%) et/ou des spectres loin d'etre symetriques sous SU(5) sont consideres. Dans cette derniere situation, cette analyse semble defavoriser la presence d'une symetrie SU(5) a l'echelle GUT avec une evidence faible. (auteur)
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Additional details
Additional titles
- Original title (English)
- Nouveaux tests phenomenologiques pour les theories supersymetriques avec unification de type SU(5)
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 153 p.
- Report number
- FRNC-TH--11479
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 52024796
- Subject category
- S72: PHYSICS OF ELEMENTARY PARTICLES AND FIELDS;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- DATA ANALYSIS; LIMITING VALUES; SPARTICLES; STANDARD MODEL; SU-5 GROUPS; SUPERSYMMETRY
- Descriptors DEC
- DATA PROCESSING; ELEMENTARY PARTICLES; FIELD THEORIES; GRAND UNIFIED THEORY; LIE GROUPS; MATHEMATICAL MODELS; PARTICLE MODELS; POSTULATED PARTICLES; PROCESSING; QUANTUM FIELD THEORY; SU GROUPS; SYMMETRY; SYMMETRY GROUPS; UNIFIED GAUGE MODELS
Optional Information
- Notes
- 174 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses