LHC phenomenology of the three-site Higgsless model [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Christian Speckner

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• Publié par: julius-maximilians-universitat_wurzburg
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 25
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

LHCPhenomenology
ofthe
Three-SiteHiggslessModel
DissertationzurErlangungdes
naturwissenschaftlichenDoktorgrades
derJulius-Maximilians-Universita¨t Wu¨rzburg
vorgelegtvon
ChristianSpeckner
ausWu¨rzburg
Wu¨rzburg,2009LHCPhenomenology
ofthe
Three-SiteHiggslessModel
DissertationzurErlangungdes
naturwissenschaftlichenDoktorgrades
derJulius-Maximilians-Universita¨t Wu¨rzburg
vorgelegtvon
ChristianSpeckner
ausWu¨rzburg
Wu¨rzburg,2009Einereichtam:
beiderFakulta¨tfu¨rPhysikundAstronomie
1.Gutachter:
2.Gutachter:
3.Gutachter:
derDissertation
1.Pru¨fer:
2.Pru¨fer:
3.Pru¨fer:
imPromotionskolloquium
TagdesPromotionskolloquiums:Zusammenfassung
DasStandardmodellderTeilchenphysik,welchesindenspa¨tensechzigerJahrenin
seiner heutigen Form eingefu¨hrt wurde, hat sich u¨ber die letzten 40 Jahre hinweg
inzahllosenExperimentenalseineaußerordentlichgenaueBeschreibungderPhy-
sikaufkleinstenSkalenerwiesen.AllevondemModellvorhergesagtenFermionen
und Vektorbosonenwurden mittlerweile entdeckt, ihre Eigenschaften experimen-
tellvermessen,unddieVorhersagendesModellsaufBasisdieserDatenhabensich
aufSchleifen-undsogarMehrschleifenniveaualsgu¨ltigerwiesen.
Der letzte noch nicht entdeckte Baustein des Modells ist das Higgs-Boson. Da
von den bisher durchgefu¨hrten Experimenten im wesentlichen der Skalenbereich
unterhalb von 100GeV abgedeckt wurde, ist dies jedoch noch kein Problem und
immernochmitderTheoriekonsistent.DerLHC(derindernahenZukunftanlau-
fen sollte) wird den experimentell zuga¨ngliche Skalenbereich voraussichtlich um
eine Gro¨ßenordnungauf mehrereTeV erweitern.Sollte das Higgsauch bei diesen
Energiennicht gefundenwerden,sowa¨re das Standardmodell falsifiziert und aus
denGrundlagenderQuantenmechanikwu¨rdefolgen,daßentwederbeietwa1TeV
die Sto¨rungstheorie zusammenbrechen oder neue Physik in Erscheinung treten
mu¨ßte,welchediePerturbativita¨tderTheoriegewa¨hrleistet—anderenfallswu¨rde
bei hohen Energien die Unitarita¨t des Zeitentwicklungsoperators verlorengehen
unddiestatistischeInterpretationderQuantenmechanikzusammenbrechen.
ObwohlvieleModelleneuerPhysikdasKonzeptderSymmetriebrechungdurch
fundamentaleSkalarfeldervomStandardmodellu¨bernehmenundlediglichdieDe-
tailsdesentsprechendenSektorsmodifizieren,gibtesaucheinegroßeGruppevon
Szenarien,welchekeinederartigenFelderenthalten.UnterdiesenHiggslosenMo-
dellen (und mo¨glicherweise auch durch die beru¨hmte AdS/CFT-Korrespondenz
verknu¨pft)sinddiewohlbekanntestenBeispieleTechnicolor-Modellesowieextra-
dimensionale Higgslose Szenarien. Beiden Klassen von Modellen gemeinsam ist
das Auftreten neuer Resonanzen im Spektrum oberhalb von etwa 100GeV, deren
AustauschperturbativeUnitarita¨tbeihohenSkalengewa¨hrleistet.DieseneuenRe-
sonanzen stellen jedoch ebenfalls eine ernstzunehmendeGefahr fu¨r solche Szena-
rien dar, da ihr Austausch zusa¨tzliche Beitra¨ge zu den bei LEP / LEP-II sehr ge-
nau vermessenen Pra¨zisionsobservablen liefert. Falls keine speziellen Vorkehrun-
gengetroffenwerden,habendieseBeitra¨gedieTendenz,derartigeModellebereits
aufderBasisexistierenderDatenauszuschließen.
IndenletztenJahrenwurdenextradimensionaleModellevorgeschlagen,inwel-
iii
chendieFermionendesStandardmodellsinderExtradimensiondelokalisiertsind,
wodurch die Pra¨zisionsobservablen durch Justage der Kopplungen an die neu-
en Resonanzen korrekt reproduziert werden ko¨nnen. Derartige Modelle sind ein
gangbarer Weg, die elektroschwache Symmetrie zu brechen und die perturbative
Unitarita¨t an der TeV-Skala aufrecht zu erhalten, ohne ein fundamentales Higgs-
Feld zu postulieren. Allerdings sind extradimensionale Modelle (von Trivialfa¨llen
abgesehen) nicht renormierbar und nur unterhalb einer Cutoff-Skala gu¨ltig, und
die meisten neuen Resonanzen liegen oberhalb dieses Cutoffs. Eine ehrliche“ Er-
”
weiterung des Standardmodells sollte lediglich die Struktur unterhalb dieses Cu-
toffsenthaltenunddenextradimensionalenMechanismuszurSymmetriebrechung
undVerzo¨gerungderUnitarita¨tsverletzungimplementieren,ohneAnnahmenu¨ber
diePhysikjenseitsderCutoff-Skalazumachen.
Das Three-SiteHiggslessModel“isteineminimaleImplementationdieserIdee.
”
ObwohldiesesModelldurchextradimensionaleHiggsloseModellemotiviertwer-
den kann, entha¨lt es lediglich eine Generation zusa¨tzlicher Resonanzen, welche
vollsta¨ndig unterhalb des Cutoffs liegt und die Verletzung der Unitarita¨t auf 2−
3TeV hinausschiebt. Der nicht mit dem Standardmodell u¨bereinstimmende Teil
desSpektrumsbestehtaus einemkomplettenSatzvon Partnernfu¨ralle Standard-
modellteilchen mit Ausnahme des Gluons und des Photons.Eine Analyse der be-
stehenden experimentellen Einschra¨nkungen zeigt, daß das Modell die Pra¨zisi-
onsobservablen korrekt reproduzieren kann, falls die Kopplungen zwischen den
schweren Eichbosonpartnernund den Fermionen des Standardmodells sehr klein
(etwa 1% des Isospinkopplung) und die Fermionpartner mit Massen ≥ 1.8TeV
verha¨ltnisma¨ßig schwersind.
IndieserDoktorarbeitwurdedieLHC-Pha¨nomenologiediesesSzenariosunter-
sucht.ZudiesemZweckewurdendieKopplungenundBreitenallerneuenTeilchen
berechnet und das Modell in den Monte-Carlo-Generator WHIZARD / O’Mega
implementiert. Diese Implementation wurde verwendet, um die Produktion der
Fermion-undEichbosonpartneraufPartonniveauinverschiedenenKana¨lenzusi-
mulieren,welchesichfu¨rdieEntdeckungamLHCeignenko¨nnten.IndieserArbeit
werden die Ergebnisse zusammen mit ein Einfu¨hrung in das Modell sowie einer
DiskussionderModelleigenschaftenpra¨sentiert.
Obwohl ihre fermiophobe Natur die Entdeckung der schweren Eichbosonen
an Teilchenbeschleunigern grundsa¨tzlich erschwert, zeigt sich, daß der LHC die
entsprechendenResonanzenfindenkann sowie sogareinige Ru¨ckschlu¨sseauf die
Sta¨rke der fermiophoben Kopplungen (was ein wesentlicher Test der Konsistenz
eines solchen Szenarios wa¨re) zulassen sollte. Bei der Berechnung der Breite der
schwerenFermionenstelltsichheraus,daßzudergroßenMasseauchrelativeBrei-
ten von 10% und mehr kommen, so daß diese Teilchen sich eher schlecht fu¨r eine
direkte Entdeckung am LHC eignen. Trotzdem zeigen die Simulationen daß, hin-
reichend viel Zeit, Geduld sowie ein gutes Versta¨ndnis von Detektor und Hinter-
grund vorausgesetzt, eine direkte Entdeckung zumindest in einem Teil des Para-
meterraumsmo¨glichist.Abstract
The Standard Modelof particle physics,conceived in thelate 1960s, has beencon-
firmed as an extremely accurate descriptionof microscopic physics in a multitude
of experiments conducted over the last 40 years. Over time, all fermions and vec-
tor bosons predicted by the model have been discovered, their properties have
beenmeasured,andthepredictionsofthemodelbaseduponthesepropertieshave
showntobeaccurate totheoneloopandevenmultilooplevel.
The last piece of the Standard Model which hasn’t been discovered yet is the
Higgs boson. As experiments have essentially only been probing scales below
100GeV,thisisnotnecessarilyaproblemandstillconsistentwiththetheory. How-
ever,theLHC(whichshouldbecommencingoperationanytimesoon)willbehope-
fully extendingthe energyscale accessible toexperimentsby a an orderofmagni-
tude to several TeVs. If the Higgs is not discovered in this energy range, then the
StandardModelwouldbefalsifiedandtheveryfundamentalsofquantummechan-
ics would tell us that either perturbation theory must break down at about 1TeV
or that new physics must enter the stage in order for the theory to remain pertur-
bative — otherwise, unitarity would be lost at high energies and the probabilistic
interpretationofquantummechanicswouldbreakdown.
While many models of new physics retain the concept of fundamental scalars
in the spectrum being responsible for the symmetry breaking and just modify the
detailsoftheimplementation,thereisalsoalargegroupofscenarioswhichdonot
contain any such fields at all. Among these Higgsless models (and probably also
connectedby thecelebratedAdS/CFTcorrespondence),thearguably mostpromi-
nent examples are technicolor and extra dimensional Higgsless models. In both
classes of models, new resonances appear in the spectrum above 100GeV, the ex-
changeofwhichretainsperturbativeunitarityathighscales. However,atthesame
time, the presence of these new resonances also turns out to be a severe threat to
such scenarios, their exchange leading to additional contributions to the precision
observables measured in the LEP/ LEP-IIexperimentsto very high accuracy and
tendingtoexcludesuchmodelsifnospecialcare istaken.
In the last years, extra dimensional models have been proposed which can
evade these constraints by delocalizing the Standard Model fermions within the
extra dimension, thus allowing to tune the couplings to the new resonances in
order to avoid these constraints. This way, such models are a viable method of
breaking the electroweak symmetry and retaining perturbative TeV scale unitar-
iiiiv
ity without introducing a fundamental Higgs field. However, extra dime