Renormalization in Effective Field Theory and Hidden Radiation

Abstract

This thesis dealswith the field of high-energy particle physics. It ismainly concernedwith two issues:

the “renormalization of effective field theories” and the “detection of hidden sectors”. The first two

papers are dedicated to the renormalization issue while the second two deal with the hidden sectors.

Renormalization is crucial when one calculates physical observables to a high degree of precision in

quantum field theory using perturbative expansions. The field has lately seen many new developments,

a recent one is the Weinberg-B¨uchler-Colangelo algorithm for calculating so-called Leading

Logarithms (LL). These terms appear at each refinement of the calculation of a physical observable,

i.e. at higher-orders in the perturbative expansion. They can be used to give a rough estimate of the

size of each higher-order correction (refinement), to verify that each new calculation will yield a small

correction to the previous estimate. This way, once the desired precision is reached, one can be sure

that ulterior (often lengthy) calculations will not be necessary.

In paper I we apply the algorithmto the calculation of the mass, in a particularly simple model called

O(N + 1)/O(N) non-linear massive sigma model. Though the model has a simple structure, it has

the interesting feature that for N = 3 it describes two-flavour ChPT (chiral perturbation theory), the

theory for lowenergy particle interactions, like π −π scattering. In paper II we apply the algorithmto

the decay constant, the vacuumexpectation value, the scattering amplitude, the pion scalar and vector

form factors. We perform the calculation to very high precision (the first four or five LLs, depending

on the observable), and showin which cases it is preferable to express the logs in terms of the physical

observables and in which cases in terms of the model parameters. We also solve (part of) the longstanding

problem of summing the contributions of infinite refinements, for all these observables.We

do this in the large number of fields N limit approximation.We prove this to be a poor approximation

of the generic N expressions for most observables.

The second topic deals with the detection of new hypothetical light mass particle sectors, hidden

from ordinary matter by an energy barrier. We exploit the high energies reached by particle colliders

to breach the barrier and observe the deviations from standard particle distributions induced by the

hidden sector. We consider both hadron colliders like LHC in CERN, where protons collide, and

the case of lepton colliders, where electron and positron collide. We develop models and tools to

simulate the effects of these new particles. The tools are inserted in a full scale random Monte Carlo

event generator called PYTHIA 8. This is used to simulate particle collisions, so that one can connect

the probabilities calculated from the theory with the particle distributions observed in the detectors.

In paper III we explore the idea of discovering a new hidden sector charge through the effects of

its radiation on the standard particle kinematics. In paper IV we seek to determine the structure of

said charges, through differences between the induced radiation and hadronization patterns and the

subsequent effects on standard distributions.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Denna avhandling handlar om modeller inom partikelfysik, vilka beskriver

naturens minsta beståndsdelar. För att studera dessa små grundläggande

byggstenar behöver man hög energi. Desto st ¨orre energi ju mindre avstånd

kan man studera. Med höga energier kan man se atomerna, och med ännu

högre energier kan man se kärnan och elektronerna, som atomerna består av.

Sedan 60-talet har vi sett att även protonerna och neutronerna som kärnan

består av, består av ännu mindre partiklar som kallas kvarkar. Partikelacceleratorexperiment,

som LEP (Large Electron Proton collider), där subatom

ära partiklar kolliderarmedmycket hög energi, avslöjar detaljer om dessa

små partiklar. De partiklar som produceras vid kollisionen studeras och kan

användas för att dra slutsatser omstrukturen hos de partiklar somskapats vid

kollisionen.

Experimenten inompartikelfysik är mycket dyra att bygga och därför finns

det endast ett fåtal i världen. LHC vid CERN, som är det största experimentet

hittills, startade 2009. Snart kommer vi att få se nya resultat och testa våra

teorier om vad som f ¨orenar de olika partiklar vi observerar.

N¨ar fysiker upptäcker nya partiklar, kategoriserar de dem och försöker

hitta mönster som avslöjar hur de grundläggande byggstenarna i universum

växelverkar. Fysiker har utvecklat en teori som kallas Standardmodellen som

förklarar hur de här partiklarna v¨axelverkar genom den starka kraften (som

håller ihop atomkärnor), den svaga kraften (som ger energi till stjärnorna) och

elektromagnetism. Det är en omfattande teori somförklarar alla de hundratals

partiklar som observerats och hur de växelverkarmed endast 6 kvarkar, 6 leptoner

(som elektronen) och kraftb¨arande partiklar, som fotonen och gluonen.

Standardmodellen formulerades på 1970-talet och har sedan dess utsatts för

många tester. De allra flesta delarna av teorin är bekräftade och teorin beskriver

nästan allmätningar somgjorts på ett tillfredsställande sätt. Den enda partikeln

somfinns i standardmodellen sominte uppt¨ackts ¨an ¨arHiggs-partikeln,

vilken ger de andra partiklarna deras massa.

Men Standardmodellen har brister, både teoretiskt och experimentellt.

Det finns ingen f ¨orklaring till att det inte finns lika många partiklar som

anti-partiklar. Neutrinomassan inkluderas inte. Det finns ingen förklaring till

varf ¨or partikelmassor bör vara vad de är. I själva verket beskriver Standardmodellen

bara 4% av materien i universum. Den har ingen förklaring till all

mörk materia och mörk energi som står för de resterande 96% av energin

i universum. En annan viktig fråga är att standardmodellen inte inkluderar

gravitation. Vid de små avstånd vi observerar i partikelacceleratorer, är gravitationen

försumbar, men det betyder fortfarande att teorin är ofullständig.

Det finns också ett annat problem med Standardmodellen, som är ett

beräkningsproblem snarare än att teoretisk problem. Även om vi vet att det

ar den korrekta beskrivningen av alla partiklarna som hittills undersökts och

deras växelverkan, kan den inte alltid användas för att göra förutsägelser vid

låga energier, där den starka kraften blir starkare. Växelverkan mellan partiklar

med låg massa, som η-mesoner, pioner och kaoner till exempel, kan inte

beskrivas i termer av kvarkar och gluoner. Ist¨allet måste man använda effektiva

teorier i detta fall, som till exempel Kiral Störningsteori.

Den första delen av denna avhandling handlar om effektiva teorier. Frågan

vi tar itu med är hur man kan göra mer exakta förutsägelser baserade på dessa

effektiva teorier och hur viktigt det är att införa förbättringar i beräkningarna.

Den andra delen handlar om utökningar av Standardmodellen. Det finns

m°anga teorier för detta, beroende p°a vilken av Standardmodellens brister

de vill ta itu med. Många modeller innehåller nya partiklar och nya

växelverkningar. Vi vill ta itu med frågan “Om det finns en ny växelverkan,

och nya partiklar med laddning, som vi inte har observerat tidigare, skulle

vi kunna mäta strålningen som kommer från den laddningen i framtida experiment?”.

“Och vad kan man säga om denna ny laddning? Vad kan man

förstå om den nya växelverkans struktur genom att observera strålningen?”.

F¨or att besvara denna fråga simulerar vi effekterna av den nya strålningen på

de standardmodell partiklar som kan detectereras vid LHC. Just nu producerar

LHC f ¨orsta data, så vi kommer snart att kunna jämföra våra simuleringar

med data och att testa de nya teorierna.

• author: Carloni, Lisa
• supervisor: Johan Bijnens
• opponent: Prof. Osland, Per, University of Bergen
• organization: Theoretical Particle Physics - Undergoing reorganization
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Subatomic Physics
• keywords: Renormalization, Effective theories, Phenomenological Models, Hidden Sectors
• pages: 195 pages
• defense location: Sal F, Teoretisk Fysik
• defense date: 2011-03-25 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-075-3
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: figure IV.23 right side, the label should be theta and not cos Theta, similarly in the caption paper 1, introduction, contains a few typos.
• id: 58dd54b0-2a44-43a5-85a5-40c5dee799b8 (old id 1833257)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:44:44
• date last changed: 2018-11-21 21:00:33