Family symmetries and radiative corrections in multi-scalar extensions of the Standard Model
(2018)- Abstract
- The four articles contained in this thesis all concern aspects of model building beyond the Standard Model (BSM). While Paper I mainly serves as a ``tool paper'' in which the results can be used to simplify certain calculations of one-loop effects from new heavy particles, Paper II--IV all deal with consequences of family symmetries in several BSM scenarios.
Paper I. We derive expressions for any number of derivatives of the Coleman-Weinberg potential in a general renormalisable four-dimensional field theory with arbitrary number of fields with spin~$\leq$~1. These correspond to the one-loop contributions to scalar $n$-point functions neglecting external momenta. The results are applied to two singlet extensions of the Standard... (More) - The four articles contained in this thesis all concern aspects of model building beyond the Standard Model (BSM). While Paper I mainly serves as a ``tool paper'' in which the results can be used to simplify certain calculations of one-loop effects from new heavy particles, Paper II--IV all deal with consequences of family symmetries in several BSM scenarios.
Paper I. We derive expressions for any number of derivatives of the Coleman-Weinberg potential in a general renormalisable four-dimensional field theory with arbitrary number of fields with spin~$\leq$~1. These correspond to the one-loop contributions to scalar $n$-point functions neglecting external momenta. The results are applied to two singlet extensions of the Standard Model, where we study the one-loop effects on the triple-Higgs coupling from the new exotic heavy states.
Paper II. In this paper we study a non-supersymmetric trinification theory where a novel $\mathrm{SU}(3)_F$ family symmetry is imposed on the model. The tree-level scalar potential often has a global minimum where the trinification gauge group is broken to a Left-Right symmetric gauge group, and after integrating out all particles with masses of the order of the grand unification scale we show that the renormalisation group is able to trigger a radiative breaking down to the Standard Model gauge group with light Higgs doublets still remaining in the spectrum.
Paper III. This paper is about a supersymmetrised version of the $\mathrm{SU}(3)_F$ symmetric trinification model of Paper II. The absence of an appropriate scalar potential minimum is rectified by adding novel gauge adjoint chiral superfields. The resulting superpotential allows for a breaking of the grand unification symmetry, while all subsequent symmetry breaking scales are given by soft supersymmetry breaking parameters. The tree-level mass spectrum resulting from this soft breaking of supersymmetry is discussed.
Paper IV. A three Higgs doublet model is introduced with a $\mathrm{U}(1) \times \mathrm{U}(1)$ family symmetry that simultaneously enforces a Cabibbo quark mixing under charged current interactions and forbids tree-level flavour changing neutral currents. Furthermore, a hierarchy in the vacuum expectation values of the three doublets produces a SM-like Higgs boson and hierarchical fermion masses, and also causes the exotic scalar states to couple most strongly to the second quark family. A search strategy for the lightest charged scalar boson in the model is proposed that utilises the $c \bar{s}$ fusion channel, and is shown to be capable of probing a large portion of the model's parameter space. This is formulated in a model independent manner such that it can be directly applied to any model with the same discovery channel. (Less) - Abstract (Swedish)
Människans vilja att förstå universums mest fundamentala byggstenar och dess naturlagar är den drivkraft som ligger till grund för elementarpartikelfysiken. Den teoretiska forskningen inom detta område vägleds idag till stor del av data från LHC-experimentet utanför Genève (LHC förkortar `Large Hadron Collider', dvs.~den Stora Hadronacceleratorn). Vid LHC accelereras protoner till extremt höga hastigheter varpå de kollideras parvis med varandra. I kollisionerna bildas nya partiklar ur protonernas rörelseenergi tack vare Einsteins berömda ekvation $E=mc^2$ som säger att massa kan konverteras till energi och vice versa, och de nya partiklarnas egenskaper, såsom massa eller elektrisk laddning, kan därefter uppmätas. Vi kan genom detta... (More)
Människans vilja att förstå universums mest fundamentala byggstenar och dess naturlagar är den drivkraft som ligger till grund för elementarpartikelfysiken. Den teoretiska forskningen inom detta område vägleds idag till stor del av data från LHC-experimentet utanför Genève (LHC förkortar `Large Hadron Collider', dvs.~den Stora Hadronacceleratorn). Vid LHC accelereras protoner till extremt höga hastigheter varpå de kollideras parvis med varandra. I kollisionerna bildas nya partiklar ur protonernas rörelseenergi tack vare Einsteins berömda ekvation $E=mc^2$ som säger att massa kan konverteras till energi och vice versa, och de nya partiklarnas egenskaper, såsom massa eller elektrisk laddning, kan därefter uppmätas. Vi kan genom detta lära oss mer om redan kända partiklar, samt leta efter nya hittills oupptäckta partiklar.
På grund av den höga energin som uppnås vid LHC rör sig partiklarna med en hastighet som oftast är mycket nära ljusets, vilket betyder att Einsteins speciella relativitetsteori behövs för en korrekt beskrivning av vad som händer i dessa partikelkollisioner. Dessutom sker processer under extremt korta tidsintervall på ofantligt små avstånd vilket medför att kvantmekanik behöver tillämpas. Sammanförandet mellan den speciella relativitetsteorin och kvantmekaniken leder till den s.k.~kvantfältteorin där alla partiklar av en viss sort, t.ex.~elektronen, beskrivs som små vågor, eller kvantexcitationer, av ett och samma elektron\textit{fält} vars utbredning sträcker sig över hela universum.
Den s.k.~standardmodellen är en viss kvantfältteori som på ett elegant och matematiskt konsistent vis beskriver alla hittills detekterade elementarpartiklar (Higgspartikeln blev den sista partikeln i standardmodellen att få sin existens experimentellt bekräftad, vilket skedde år 2012). Med endast ett tjugotal fria parametrar kan forskare med hjälp av standardmodellen framgångsrikt förutsäga resultaten på ofantligt många experimentella mätningar, vilket gör att få idag betvivlar standardmodellens korrekthet.
Genom att bestämma de numeriska värdena på de fria parametrarna i standardmodellen utifrån experimentella mätningar, framgår dock vissa mönster som helt saknar förklaring inom standardmodellen själv. Till exempel finns det tre kopior, eller s.k.~familjer, av varje fermion (t.ex. elektronen) som är helt identiska förutom i hur mycket de väger. Det finns t.ex.~två tyngre, men i övrigt identiska, kopior av elektronen (myonen och tau-partikeln). Orsaken till den hierarkiska struktur som fermionmassorna uppvisar utgör idag ett av standardmodellens stora mysterier.
Standardmodellen innehåller en beskrivning av tre av naturens fyra fundamentala krafter som vi hittills känner till (alla utom gravitationen): den elektromagnetiska kraften, den svaga kraften (vilken bland annat är orsaken till en del radioaktiva sönderfall) samt den starka kraften (vilken bland annat binder samman kvarkarna till protoner och neutroner). I standardmodellen sammanförs den elektromagnetiska kraften med den svaga kraften genom den s.k.~Higgs-mekanismen, vilket visar att dessa två krafter egentligen är ``två sidor av samma mynt'', dvs.~den elektrosvaga kraften. På ett liknande sätt kan hypotetiska storföreningsteorier (eller ``Grand Unified Theories'') sammanföra den elektrosvaga kraften med den starka kraften till en enda fundamental kraft. Två av artiklarna i denna avhandling (artikel II och III) handlar om en viss sorts storföreningsteori, dvs.~den s.k.~trinifieringsteorin, där vi dessutom lägger till en ny hittills outforskad symmetri mellan fermionfamiljerna. Dessa artiklar handlar om hur en del av standardmodellens egenskaper, t.ex.~de hierarkiska fermionmassorna, skulle kunna förklaras av att naturen på väldigt små avstånd (mycket mindre än vad som hittills har utforskats experimentellt) beskrivs av en sådan trinifieringsmodell. Den första artikeln i avhandlingen, artikel I, handlar om ett matematiskt verktyg som kan användas för att förenkla beräkningar av kvantmekaniska effekter i utvidgningar av standardmodellen, såsom modellerna i artikel II och III, där traditionella metoder för att göra dessa beräkningar lätt kan bli onödigt krångliga på grund av det stora antal nya partiklar som ofta ingår i sådana modeller.
Den fjärde och sista artikeln i denna avhandling, artikel IV, handlar om en annan typ av utvidgning av standardmodellen, där existensen av nya Higgsfält postuleras. I standardmodellen finns nämligen bara ett Higgsfält, men i modellen i artikel IV finns tre familjer av Higgsfält, liknande de tre familjerna av fermioner. Genom att lägga till fler Higgsfält kan man också lägga till familjesymmetrier som i sin tur gör en del av standardmodellens strukturer mindre godtyckliga. I artikel IV föreslår vi också en metod som experimentalister skulle kunna använda sig av för att leta efter den lättaste av de nya elektriskt laddade Higgspartiklarna som denna modell förutsäger. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/record/cc5a60f5-450b-4439-8db2-5929ad1798e6
- author
- Wessén, Jonas LU
- supervisor
- opponent
-
- Prof. Dr. Porod, Werner, Theoretische Physik II, Universität Würzburg, Germany
- organization
- publishing date
- 2018
- type
- Thesis
- publication status
- published
- subject
- keywords
- Beyond the Standard Model, Trinification, Grand Unification, Three Higgs doublet models, Coleman-Weinberg potential, Supersymmetry, Left-Right symmetry, Fysicumarkivet A:2018:Wessén
- pages
- 196 pages
- publisher
- Lund University, Faculty of Science, Department of Astronomy and Theoretical Physics
- defense location
- Hall K404, Department of Physics, Sölvegatan 14A, Lund
- defense date
- 2018-05-18 13:00:00
- ISBN
- 978-91-7753-671-0
- 978-91-7753-672-7
- language
- English
- LU publication?
- yes
- id
- cc5a60f5-450b-4439-8db2-5929ad1798e6
- date added to LUP
- 2018-04-19 16:59:50
- date last changed
- 2020-05-04 22:32:36
@phdthesis{cc5a60f5-450b-4439-8db2-5929ad1798e6,
abstract = {{The four articles contained in this thesis all concern aspects of model building beyond the Standard Model (BSM). While Paper I mainly serves as a ``tool paper'' in which the results can be used to simplify certain calculations of one-loop effects from new heavy particles, Paper II--IV all deal with consequences of family symmetries in several BSM scenarios. <br/><br/>Paper I. We derive expressions for any number of derivatives of the Coleman-Weinberg potential in a general renormalisable four-dimensional field theory with arbitrary number of fields with spin~$\leq$~1. These correspond to the one-loop contributions to scalar $n$-point functions neglecting external momenta. The results are applied to two singlet extensions of the Standard Model, where we study the one-loop effects on the triple-Higgs coupling from the new exotic heavy states. <br/><br/>Paper II. In this paper we study a non-supersymmetric trinification theory where a novel $\mathrm{SU}(3)_F$ family symmetry is imposed on the model. The tree-level scalar potential often has a global minimum where the trinification gauge group is broken to a Left-Right symmetric gauge group, and after integrating out all particles with masses of the order of the grand unification scale we show that the renormalisation group is able to trigger a radiative breaking down to the Standard Model gauge group with light Higgs doublets still remaining in the spectrum. <br/><br/>Paper III. This paper is about a supersymmetrised version of the $\mathrm{SU}(3)_F$ symmetric trinification model of Paper II. The absence of an appropriate scalar potential minimum is rectified by adding novel gauge adjoint chiral superfields. The resulting superpotential allows for a breaking of the grand unification symmetry, while all subsequent symmetry breaking scales are given by soft supersymmetry breaking parameters. The tree-level mass spectrum resulting from this soft breaking of supersymmetry is discussed. <br/><br/>Paper IV. A three Higgs doublet model is introduced with a $\mathrm{U}(1) \times \mathrm{U}(1)$ family symmetry that simultaneously enforces a Cabibbo quark mixing under charged current interactions and forbids tree-level flavour changing neutral currents. Furthermore, a hierarchy in the vacuum expectation values of the three doublets produces a SM-like Higgs boson and hierarchical fermion masses, and also causes the exotic scalar states to couple most strongly to the second quark family. A search strategy for the lightest charged scalar boson in the model is proposed that utilises the $c \bar{s}$ fusion channel, and is shown to be capable of probing a large portion of the model's parameter space. This is formulated in a model independent manner such that it can be directly applied to any model with the same discovery channel.}},
author = {{Wessén, Jonas}},
isbn = {{978-91-7753-671-0}},
keywords = {{Beyond the Standard Model; Trinification; Grand Unification; Three Higgs doublet models; Coleman-Weinberg potential, Supersymmetry, Left-Right symmetry; Fysicumarkivet A:2018:Wessén}},
language = {{eng}},
publisher = {{Lund University, Faculty of Science, Department of Astronomy and Theoretical Physics}},
school = {{Lund University}},
title = {{Family symmetries and radiative corrections in multi-scalar extensions of the Standard Model}},
url = {{https://lup.lub.lu.se/search/files/41818319/Jonas_W_inkl._omslag.pdf}},
year = {{2018}},
}