Théories effectives de la saveur leptonique en physique des particules

Effective Field Theory for Lepton Flavour Violation

• Auteur / Autrice : Marco Ardu
• Direction : Sacha Davidson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et astrophysique
• Date : Soutenance le 18/07/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Univers et Particules de Montpellier (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Loïc Kneur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sacha Davidson, Paride Paradisi, Alejandro Ibarra Palos, Olcyr Sumensari
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paride Paradisi, Alejandro Ibarra Palos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Leptons

Particules (physique)

Théories effectives des champs

Mots clés libres

Théories effectives

Saveur Leptonique

Physique des particules

Effective Field Theories

Flavour violation

Particle Physics

Résumé

Malgré son immense succès, le Modèle Standard (SM) de la physique des particules demeure incomplet, car diverses observations fournissent des preuves concluantes d'une physique au-delà du Modèle Standard (BSM). Un exemple notable est la découverte des masses et des oscillations des neutrinos, qui indiquent clairement que la saveur leptonique n'est pas une symétrie de la nature, exigeant ainsi une extension du Modèle Standard. La violation de la saveur leptonique (LFV), définie comme des interactions de changement de saveur à courte portée parmi les leptons chargés, est prévue, mais n'a pas encore été observée. La nouvelle génération d'expériences visant à détecter les transitions de saveur leptonique offrira des sensibilités expérimentales sans précédent et permettra d'explorer plus en profondeur la nouvelle physique associée à la LFV.Dans cette thèse, nous supposons que la physique de la LFV est lourde et paramétrisons ses effets à l'aide de la Théorie Effective des Champs du Modèle Standard (SMEFT). Les interactions de la LFV sont décrites par des opérateurs de dimension supérieure construits à partir des champs du Modèle Standard, permettant le calcul des observables en fonction des coefficients de ces opérateurs.Tout d'abord, nous introduisons un petit paramètre de comptage des puissances à la Wolfenstein pour évaluer si les calculs de pointe de la SMEFT, qui incluent les opérateurs de dimension six et leurs équations de renormalisation à une boucle, sont suffisants pour obtenir une description effective complète des observables de la LFV. Nous constatons que les futures recherches sur muto e peuvent être sensibles à quelques dizaines d'opérateurs de dimension huit et à certains effets de dimensions anormales à deux boucles, pour des échelles de nouvelle physique respectivement inférieures à 20-100 TeV.Nous nous appuyons sur ces résultats et explorons la sensibilité des recherches sur muto e aux interactions de changement de saveur tauleftrightarrow e(mu). Nous décrivons les interactions tauleftrightarrow e(mu) comme des opérateurs de dimension six dans la SMEFT, identifions des paires d'entre eux donnant des contributions intéressantes aux processus muto e, et obtenons les dimensions anormales mélangeant ces paires dans les opérateurs muto e de dimension huit. La renormalisation des opérateurs de dimension huit est en grande partie inconnue, et nous avons calculé un sous-ensemble des équations de groupe de renormalisation de dimension huit pour la première fois. Nous montrons que les futures expériences sur muto e pourraient permettre d'explorer des espaces de paramètres qui échappent aux recherches actuelles et futures des transitions tauto e(mu), y compris les désintégrations du boson de Higgs, du tau et des mésons B.

Despite its tremendous success, the Standard Model (SM) of particle physics is incomplete, as various observations provide conclusive evidence of physics beyond the Standard Model (BSM). A notable example is the discovery of neutrino masses and oscillations, which clearly indicate that lepton flavour is not a symmetry of nature, thus demanding an extension of the Standard Model. Lepton Flavor Violation (LFV), defined as short-range flavour-changing interactions among the charged leptons, is expected to occur but it is yet to be observed. The new generation of experiments aimed at detecting lepton flavour-changing transitions will provide unprecedented experimental sensitivities and further probe LFV new physics.In this thesis, we assume that LFV physics is heavy and parametrize its effects using the Standard Model Effective Field Theory (SMEFT). LFV interactions are described by higher-dimensional operators constructed out-of-the SM fields, and observables are computed in terms of the operator coefficients.First, we introduce a small power counting parameter à la Wolfenstein to asses whether the state-of-the-art SMEFT calculations, which include the dimension six operators and their one-loop renormalization group equations, are sufficient to have a complete effective description of LFV observables. We find that the upcoming searches of muto e can be sensitive to a few dozen dimension eight operators, and to some effects of two-loop anomalous dimensions, for new physics scales respectively below 20-100 TeV.We build on these results and explore the sensitivity of muto e searches to tauleftrightarrow e(mu) flavour changing interactions. We describe the tauleftrightarrow e(mu) interactions as dimension six operators in the SM EFT, identify pairs of them giving interesting contributions to muto e processes, and obtain the anomalous dimensions mixing those pairs into dimension eight muto e operators. The dimension eight operator renormalization is mostly unknown, and we computed a subset of renormalization group equations for the first time. We show that upcoming muto e experiments could allow to probe parameter space beyond the reach of current and future searches of tauto e(mu) transitions, including Higgs, tau and B meson decays.