Renormalization Group Evolution Analysis of the Gauged Froggatt-Nielsen Mechanism in 2-Higgs-doublet Models

Abstract

In this thesis, we consider a 2-Higgs-doublet model with a gauged Froggatt-Nielsen mechanism as an extension of the standard model. We assume that (i) the theory at the electroweak scale is the low energy limit of a theory defined at a scale $\Lambda_{FN}$ (ii) the Yukawa couplings at $\Lambda_{FN}$ are generated by the Froggatt-Nielsen mechanism. The first assumption is enforced by requiring that models be well behaved under Renormalization Group evolution up to $\Lambda_{FN}$ in two scenarios: $\Lambda_{FN} = 10^5$ GeV and $\Lambda_{FN}= 10^{16}$ GeV. We then proceed to find flavon charge assignments that reproduce the correct order of magnitude for fermion masses and quark mixing. The flavon charges are further constrained by anomaly cancellation conditions. Lastly, having identified the parameter space of models consistent with our assumptions and experimental constraints, we evolve these regions up to $\Lambda_{FN}$ using the RG equations and discuss possible physics at that scale.

Popular Abstract (French)

Quelles sont les entités élémentaires, indivisibles qui composent notre Univers? Comment interagissent elles pour former tout ce que nous observons dans la nature? Voilà les questions majeures auxquelles la physique des particules tente de répondre. La meilleure réponse à ce jour, ”le modèle standard”, est une des plus grandes réussites de la physique moderne. Il s’agit d’une théorie qui décrit avec grande précision le comportement de toutes les particules élémentaires connues. Celles-ci interagissent en échangeant d’autres particules, des bosons de jauge, tels que des photons et des gluons. Si on adopte cette vision moderne d’une interaction on pourrait dire, par analogie, que deux personnes qui se passent un ballon ont une interaction répulsive puisque l’émetteur et le receveur reculent. Parmi la quinzaine de particules élémentaires, seules 4 composent la grande majorité de la matière de l’Univers: l’électron, le quark ”up”, le quark ”down” et le neutrino électron. Le modèle standard permet de prédire le résultat des interactions de ces particules et donc d’expliquer la majorité des phenomènes physiques. Le modèle standard a ses limites, cependant, et notre compréhension reste incomplète. Un des problèmes du modèle standard est la hiérarchie des masses. L’électron, le quark up, le quark down et le neutrino électron existent en 3 générations. Ces 3 générations de particules sont identiques en tout points à l’exception de leur masses. On observe cependant que la 1ère génération est plus légère que la 2ème génération elle même plus légère que la 3ème génération. À ce jour, on ne connait pas la raison pour cette hiérarchie. Il est difficile d’accepter cela comme une simple coı̈ncidence. Dans le modèle standard, la hiérarchie des masses est incluse ”à la main”, en ajustant 13 de ses 19 paramètres libres de facon à reproduire les observations. Étant donné qu’en physique on cherche à obtenir une compréhension toujours plus fondamentale de la nature, cette situation n’est pas satisfaisante. On considère donc des modèles au-delà du modèle standard pour tenter de progresser.
Dans cette thèse, j’ai étudié une extension du modèle standard qui vise à expliquer la
hiérarchie des masses. Pour cela on inclut le mécanisme de Froggatt-Nielsen, une nouvelle interaction qui distingue les particules des 3 générations et permet d’inclure de manière naturelle la hiérarchie des masses dans le modèle standard. J’ai également essayé de prober le comportement de ce modèle aux hautes énergies, c’est à dire quand les particules ont beaucoup d’énergie. Aujourd’hui, les particules les plus énergétiques que l’on observe sont créées au LHC au CERN. Nous n’avons pas la technologie nécessaire pour créer des particules encore plus énergétiques. C’est pourquoi la recherche théorique est importante. Dans ce projet j’ai cherché à découvrir ce que le modèle prédit quand l’énergie des particules est très haute. Pour cela j’ai utilisé un programme pour résoudre un ensemble d’équations. En résolvant ces équations dans différentes situations, on peut connecter les phénoménes observés à différentes énergies. Grâce à ce travail, on pourrait par exemple utiliser les observations réalisées au LHC pour obtenir des indices sur la physique aux très hautes
énergies.

• author: Plantey, Robin
• supervisor: Johan Rathsman
• organization: Theoretical Particle Physics - Has been reorganised; Department of Astronomy and Theoretical Physics - Has been reorganised
• course: FYTM03 20191
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• report number: LU TP 19-17
• language: English
• id: 8986051
• date added to LUP: 2019-06-25 11:32:34
• date last changed: 2019-06-26 08:52:10