Advanced

Explaining B-> D^(*) tau nu Decays with a Two Higgs Doublet Model using the Froggatt-Nielsen Framework

Andersson, Emil LU (2017) FYTK02 20171
Department of Astronomy and Theoretical Physics
Theoretical Particle Physics
Abstract
In recent years, the BaBar, Belle and LHCb experiments have observed an excess of $B\to D^{(*)}\tau\nu$ decays compared to Standard Model predictions. In this thesis, we investigate if it is possible to explain this excess with a two Higgs doublet model using the Froggatt-Nielsen framework. Two Higgs doublet models allow new decays at tree-level and the Froggatt-Nielsen mechanism gives an explanation to the large mass hierarchy amongst fermions. New particles and concepts are introduced with the Froggatt-Nielsen mechanism, there among a new type of $U(1)$ charge, called flavon charge, and a symmetry breaking parameter $\varepsilon\approx0.2$. We express all Yukawa couplings, fermion masses and elements of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa... (More)
In recent years, the BaBar, Belle and LHCb experiments have observed an excess of $B\to D^{(*)}\tau\nu$ decays compared to Standard Model predictions. In this thesis, we investigate if it is possible to explain this excess with a two Higgs doublet model using the Froggatt-Nielsen framework. Two Higgs doublet models allow new decays at tree-level and the Froggatt-Nielsen mechanism gives an explanation to the large mass hierarchy amongst fermions. New particles and concepts are introduced with the Froggatt-Nielsen mechanism, there among a new type of $U(1)$ charge, called flavon charge, and a symmetry breaking parameter $\varepsilon\approx0.2$. We express all Yukawa couplings, fermion masses and elements of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrix in terms of $\varepsilon$ and the flavon charges. By considering physical constraints, such as limits from flavour changing neutral currents, we determine how the flavon charges for the Higgs fields and the Standard Model fermions can be chosen while satisfying these constraints. We investigate how the $B\to D^{(*)}\tau\nu$ decays depends on $\varepsilon$ and the flavon charges, and for valid sets of flavon charges, we check if the observed excess can be explained. We find some sets where this could be possible and conclude that further and more detailed studies are motivated. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Teoretiska fysiker tycker verkligen om att bygga modeller av sin omvärld för att kunna göra förutsägelser om den. En av de mest lyckade teoretiska modellerna är standardmodellen inom partikelfysik. Med den har fysiker lyckats förklara och förstå hur universums allra minsta beståndsdelar fungerar. Den har till och med vid ett flertal tillfällen lyckats att förutsäga existensen av nya partiklar, som sedan har hittats experimentellt med stora partikelacceleratorer. Det mest kända exemplet är såklart Higgspartikeln som förutsades 1964 och sedan hittades 2012.

Däremot, har det vid allt fler tillfällen hänt att experimentella resultat avviker från vad som kan förväntas utifrån standardmodellen. Ett sådant exempel som vi ska studera närmare... (More)
Teoretiska fysiker tycker verkligen om att bygga modeller av sin omvärld för att kunna göra förutsägelser om den. En av de mest lyckade teoretiska modellerna är standardmodellen inom partikelfysik. Med den har fysiker lyckats förklara och förstå hur universums allra minsta beståndsdelar fungerar. Den har till och med vid ett flertal tillfällen lyckats att förutsäga existensen av nya partiklar, som sedan har hittats experimentellt med stora partikelacceleratorer. Det mest kända exemplet är såklart Higgspartikeln som förutsades 1964 och sedan hittades 2012.

Däremot, har det vid allt fler tillfällen hänt att experimentella resultat avviker från vad som kan förväntas utifrån standardmodellen. Ett sådant exempel som vi ska studera närmare är sönderfallet av den så kallade $B$-mesonen. Mesoner är partiklar som är uppbyggda av två kvarkar. Kvarkar i sin tur är en typ av elementarpartiklar, de allra minsta av naturens byggstenar. $B$-mesonen, liksom alla andra mesoner, är instabil vilket innebär att den måste sönderfalla. När den sönderfaller omvandlas en av kvarkarna till en lättare kvark med hjälp av en så kallad boson, en annan typ av elementarpartikel. Sönderfall kan ske på olika sätt, via olika sönderfallskanaler, vilket resulterar i olika slutprodukter. Med standardmodellen går det att räkna ut hur vanligt ett sönderfall via en specifik sönderfallskanal bör vara. För det särskilda sönderfallet av $B$-mesonen som vi är intresserade av har det uppmätts en större mängd sönderfall än vad som har förutsagts med standardmodellen.

Det här uppmätta överskottet av $B$-mesonsönderfallet ska vi försöka förklara genom att bygga ut standardmodellen. Detta ska vi göra genom att använda oss av en Tvåhiggsdubblett\-modell (2HDM). I standardmodellen finns det \textit{en} Higgsdubblett vilket resulterar i \textit{en} Higgspartikel. I en 2HDM finns det, vilket hörs på namnet, \textit{två} Higgsdubbletter, vilket istället visar sig resultera i \textit{fem} Higgspartiklar. En av de här nya partiklarna skulle i teorin även den orsaka vårt $B$-mesonsönderfall utöver den mängd som redan sker enligt standardmodellen. Genom att anpassa Higgspartiklarnas kopplingar till kvarkarna skulle det här extra bidraget kunna få förutsägelser gjorda med 2HDM att stämma överens med experimentella data.

I arbetet använder vi oss av en speciell version av 2HDM som använder sig av den så kallade Froggatt-Nielsen-mekanismen. Den introducerar en ny typ av laddning som partiklar kan ha, precis som att de kan ha elektrisk laddning, som heter flavonladdning. Beroende på vilka flavonladdningar de olika partiklarna har skulle de eventuellt kunna förklara varför kvarkarnas massor är så pass olika. Det nya 2HDM-bidraget till $B$-mesonsönderfallet skulle också påverkas av flavonladdningarna. Vi undersöker om det finns uppsättningar av flavonladdningar för de olika partiklarna som kan återskapa både rätt massrelationer bland kvarkarna och samtidigt förutsäga samma mängd av sönderfallet som experimenten visar. Vi kommer i slutändan fram till att detta faktiskt verkar vara möjligt. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Andersson, Emil LU
supervisor
organization
course
FYTK02 20171
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
Two Higgs Doublet Model, 2HDM, Froggatt-Nielsen, Flavon, B-meson, Higgs, Beyond Standard Model, BSM, Theoretical Particle Physics
report number
LU TP 17-17
language
English
id
8915373
date added to LUP
2017-06-22 11:51:10
date last changed
2017-06-22 11:51:10
@misc{8915373,
  abstract     = {In recent years, the BaBar, Belle and LHCb experiments have observed an excess of $B\to D^{(*)}\tau\nu$ decays compared to Standard Model predictions. In this thesis, we investigate if it is possible to explain this excess with a two Higgs doublet model using the Froggatt-Nielsen framework. Two Higgs doublet models allow new decays at tree-level and the Froggatt-Nielsen mechanism gives an explanation to the large mass hierarchy amongst fermions. New particles and concepts are introduced with the Froggatt-Nielsen mechanism, there among a new type of $U(1)$ charge, called flavon charge, and a symmetry breaking parameter $\varepsilon\approx0.2$. We express all Yukawa couplings, fermion masses and elements of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrix in terms of $\varepsilon$ and the flavon charges. By considering physical constraints, such as limits from flavour changing neutral currents, we determine how the flavon charges for the Higgs fields and the Standard Model fermions can be chosen while satisfying these constraints. We investigate how the $B\to D^{(*)}\tau\nu$ decays depends on $\varepsilon$ and the flavon charges, and for valid sets of flavon charges, we check if the observed excess can be explained. We find some sets where this could be possible and conclude that further and more detailed studies are motivated.},
  author       = {Andersson, Emil},
  keyword      = {Two Higgs Doublet Model,2HDM,Froggatt-Nielsen,Flavon,B-meson,Higgs,Beyond Standard Model,BSM,Theoretical Particle Physics},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Explaining B-> D^(*) tau nu Decays with a Two Higgs Doublet Model using the Froggatt-Nielsen Framework},
  year         = {2017},
}