Renormalization in Effective Field Theory and Hidden Radiation
(2011)- 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... (More) - 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. (Less) - 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,... (More) - 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. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/record/1833257
- author
- Carloni, Lisa LU
- supervisor
- opponent
-
- Prof. Osland, Per, University of Bergen
- organization
- publishing date
- 2011
- type
- Thesis
- publication status
- published
- subject
- keywords
- Renormalization, Effective theories, Phenomenological Models, Hidden Sectors
- pages
- 195 pages
- publisher
- Department of Astronomy and Theoretical Physics, Lund University
- 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
@phdthesis{58dd54b0-2a44-43a5-85a5-40c5dee799b8, abstract = {{This thesis dealswith the field of high-energy particle physics. It ismainly concernedwith two issues:<br/><br> the “renormalization of effective field theories” and the “detection of hidden sectors”. The first two<br/><br> papers are dedicated to the renormalization issue while the second two deal with the hidden sectors.<br/><br> Renormalization is crucial when one calculates physical observables to a high degree of precision in<br/><br> quantum field theory using perturbative expansions. The field has lately seen many new developments,<br/><br> a recent one is the Weinberg-B¨uchler-Colangelo algorithm for calculating so-called Leading<br/><br> Logarithms (LL). These terms appear at each refinement of the calculation of a physical observable,<br/><br> i.e. at higher-orders in the perturbative expansion. They can be used to give a rough estimate of the<br/><br> size of each higher-order correction (refinement), to verify that each new calculation will yield a small<br/><br> correction to the previous estimate. This way, once the desired precision is reached, one can be sure<br/><br> that ulterior (often lengthy) calculations will not be necessary.<br/><br> In paper I we apply the algorithmto the calculation of the mass, in a particularly simple model called<br/><br> O(N + 1)/O(N) non-linear massive sigma model. Though the model has a simple structure, it has<br/><br> the interesting feature that for N = 3 it describes two-flavour ChPT (chiral perturbation theory), the<br/><br> theory for lowenergy particle interactions, like π −π scattering. In paper II we apply the algorithmto<br/><br> the decay constant, the vacuumexpectation value, the scattering amplitude, the pion scalar and vector<br/><br> form factors. We perform the calculation to very high precision (the first four or five LLs, depending<br/><br> on the observable), and showin which cases it is preferable to express the logs in terms of the physical<br/><br> observables and in which cases in terms of the model parameters. We also solve (part of) the longstanding<br/><br> problem of summing the contributions of infinite refinements, for all these observables.We<br/><br> do this in the large number of fields N limit approximation.We prove this to be a poor approximation<br/><br> of the generic N expressions for most observables.<br/><br> The second topic deals with the detection of new hypothetical light mass particle sectors, hidden<br/><br> from ordinary matter by an energy barrier. We exploit the high energies reached by particle colliders<br/><br> to breach the barrier and observe the deviations from standard particle distributions induced by the<br/><br> hidden sector. We consider both hadron colliders like LHC in CERN, where protons collide, and<br/><br> the case of lepton colliders, where electron and positron collide. We develop models and tools to<br/><br> simulate the effects of these new particles. The tools are inserted in a full scale random Monte Carlo<br/><br> event generator called PYTHIA 8. This is used to simulate particle collisions, so that one can connect<br/><br> the probabilities calculated from the theory with the particle distributions observed in the detectors.<br/><br> In paper III we explore the idea of discovering a new hidden sector charge through the effects of<br/><br> its radiation on the standard particle kinematics. In paper IV we seek to determine the structure of<br/><br> said charges, through differences between the induced radiation and hadronization patterns and the<br/><br> subsequent effects on standard distributions.}}, author = {{Carloni, Lisa}}, isbn = {{978-91-7473-075-3}}, keywords = {{Renormalization; Effective theories; Phenomenological Models; Hidden Sectors}}, language = {{eng}}, publisher = {{Department of Astronomy and Theoretical Physics, Lund University}}, school = {{Lund University}}, title = {{Renormalization in Effective Field Theory and Hidden Radiation}}, url = {{https://lup.lub.lu.se/search/files/5611928/1833297.pdf}}, year = {{2011}}, }