Extension du secteur scalaire : des modèles composites à la matière noire

Extensions of the scalar sector : from compositeness to dark matter and back

• Auteur / Autrice : Lara Mason
• Direction : Aldo Deandrea, Alan S. Cornell
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 04/03/2022
• Etablissement(s) : Lyon en cotutelle avec Randse Afrikaanse Universite (Johannesburg ; 1968-2004)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Benjamin Fuks
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aldo Deandrea, Alan S. Cornell, Sabine Kraml, Stefania De Curtis, Cédric Delaunay, Farvah Mahmoudi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sabine Kraml, Stefania De Curtis
• DOI : 10.70675/f9146917z337dz469czbe8czc3aeee76cb03

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique au-delà du modèle standard

Bosons de Higgs

Collisionneurs

Matière noire (astronomie)

Mots clés libres

Physique

Boson de Higgs

Physique des hautes énergies

Modèle standard (physique nucléaire)

Recherche

Physics

Composite Higgs

BSM

Résumé

Le modèle Standard, qui gouverne la physiques des particules, est une théorie très établie. Dans cette théorie, les champs et les forces sont gouvernés par une combinaison de relativité et de mécanique quantique. Ces dernières années, les propositions d'extension ou de modification du modèle Standard (MS) se sont rapidement multipliées. Ces extensions sont dues à des questions irrésolues qui suggèreraient que la théorie n'est pas complète. La découverte du boson de Higgs a été considérée comme la confirmation d'une théorie présentée pour la première fois dans les années 1960. Sans cette théorie, le SM ne pourrait pas prévoir l'univers dans lequel nous nous trouvons. Cependant, sa découverte a également ouvert la voie à un certain nombre de questions sur la nature du SM. L'une de celles est le problème de la hiérarchie. En effet l'échelle de l'EWSB choisie par la nature est anormalement basse par rapport à l'échelle de Planck, qui est la borne énergétique supérieure de la théorie. Un certain nombre de modèles ont été présenté pour résoudre ce problème du « non naturel ». Une piste de recherche prometteuse est celle des modèles composites, qui sont le sujet principal de cette thèse. Dans ces modèles, le boson de Higgs se défait de sa nature élémentaire et apparaît comme un état lié de fermions fondamentaux, soumis à une nouvelle interaction forte. Les modèles composites remplacent le secteur scalaire du modèle Standard par un secteur régi par une dynamique forte. Dans ce secteur, les fermions fondamentaux possèdent une symétrie globale de saveur. Le groupe “hypercolor” qui gouverne les fermions est laissé ininterrompu dans la théorie, mais le groupe de “flavour” est divisé en un sous-groupe. Ces modèles sont confinés aux basses énergies. Le boson de Higgs est un état lié de fermions confinés par une interaction de jauge forte, qui se condensent à l'échelle caractéristique du confinement [5]. Tout comme en Quantum Chromo Dynamic et en technicolor, la symétrie de “flavour” est dynamiquement brisée en un sous-groupe par un processus de condensation. Dans cette thèse, nous présentons un nombre d'études sur la phénoménologie des extensions au secteur scalaire de la physique des particules. Nous nous concentrons principalement sur les modèles composites et présentons de nombreuses façons dont ils peuvent être vus dans les collisionneurs. Nous proposons des motivations de recherche sur les futurs collisionneurs. L’accent est mis sur les modèles comportant des fermions sous-jacents, et nous présentons également des motivations théoriques tout en mentionnant les contraintes existantes. Dans cette thèse nous considérerons douze configurations possibles du modèle composite de Higgs et utilise des techniques de “machine learning” pour améliorer les analyses traditionnelles. Nous étudions le phénoménologie des particules supplémentaires qui apparaissent avec le Higgs dans les modèles composites. Ceci inclut un pseudo-scalaire qui apparaît en raison d'une brisure de symétrie U(1). La description du Higgs dans un modèle composite offre non seulement une solution au problème de hiérarchie, mais peut aussi naturellement générer un candidat de matière noire de multiples façons. Enfin, nous présentons une tentative pour décrire un candidat de matière noire lourd dans un modèle composite, en envisageant que le candidat de matière noire se présente comme une résonance scalaire.

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 ÷, 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.