Teorías efectivas y simulaciones de monte-carlo: fenomenología de supersimetría en el gran colisionador de hadrones (lhc)
- Autores: Arian Abrahantes Quintana
- Directores de la Tesis: Jaume Guasch (dir. tes.), Siannah Peñaranda Rivas (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: María José Herrero Solans (presid.), José Luis Cortes Azcoiti (secret.), Germán Rodrigo García (voc.)
- Materias:
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- Resumen
1. Motivación El Modelo Estándar de la Física de Partículas (SM) ha sido confirmado en los aceleradores de altas energías con una precisión del orden de la milésima. Su éxito más reciente ha sido el descubrimiento de la partícula de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider - LHC), CERN, Suiza. No obstante, existen razones teóricas para creer que el SM podría no ser la última palabra en la teoría de las interacciones fundamentales. Algunos problemas teóricos permanecen aún sin respuesta, por ejemplo: no existe una teoría cuántica de la gravitación; existe una gran diferencia entre la escala electrodébil y la escala de Planck (problema de las jerarquías); se desconoce el origen de la materia oscura y la energía oscura del universo; en el SM existen tres constantes fundamentales de acoplo, y no existe posibilidad de unificación; no tenemos una explicación de la existencia de tres generaciones de fermiones; etc. En consecuencia, se proyectan e investigan extensiones del SM que tratan de solucionar estos problemas. Las extensiones supersimétricas (SUSY) son una de las teorías candidatas para nueva física. Concretamente, el Modelo Estándar Supersimétrico Mínimo (MSSM) es la mínima de éstas extensiones y contiene en su espectro el bosón de Higgs supersimétrico más ligero, que se encuentra muy cercano al espectro del SM. Actualmente no se han observado aún las partículas propuestas por el MSSM; imponiéndose restricciones sobre las masas y parámetros del modelo sin excluir totalmente la posible observación de partículas SUSY en los experimentos actuales o futuros. Con la avalancha de nuevas mediciones experimentales en el LHC se hacen necesarias predicciones teóricas cada vez más precisas. Por esta razón son muchos los grupos de investigación en la comunidad de físicos de partículas, tanto teóricos como experimentales, centrados en el análisis de posibles observables que permitan excluir o confirmar éstos modelos. En particular, desarrollando estrategias para obtener información de partículas que incluso puedan ser demasiado pesadas para ser descubiertas, pero cuya existencia se manifiesta a través de correcciones cuánticas (medibles experimentalmente). El estudio de cómo estas correcciones radiativas se reflejan en los observables relacionados es de gran interés fenomenológico. Ello requiere tanto un estudio con vistas a identificar los observables más interesantes, como una colaboración directa con experimentales y, en algunos casos, simulación de sucesos en proyectos de detectores concretos.
2. Desarrollo En la presente Tesis proporcionamos predicciones de alta precisión para observables relacionados con partículas supersimétricas, los squarks -compañeros supersimétricos de los quarks del SM-, confrontando con los datos experimentales proporcionados actualmente por el LHC y los que se esperaría obtener en un futuro cercano. Particular atención se dedica a la física del quark top.
El método que se ha utilizado para llevar a cabo la investigación es la aplicación de la Teoría Cuántica de Campos a la fenomenología de la física de partículas. Dentro de los métodos de la teoría cuántica de campos, el método de lagrangianos efectivos se ha convertido en una eficaz herramienta fenomenológica para llevar a cabo este tipo de estudios. El objetivo de un lagrangiano efectivo es describir la dinámica a baja energía de los modos ligeros de un cierto sistema físico. Éste método permite describir la física en función de los grados de libertad ligeros de la teoría (los que se detectan en los experimentos) y codificar los efectos de nueva física en acoplamientos efectivos entre estos campos. Las diferencias entre estos acoplamientos efectivos y los acoplamientos del SM nos proporcionan información sobre la posible nueva física.
En el Capítulo 1 se hace una introducción al estado actual de la física de partículas elementales, y a las motivaciones de supersimetría, y se enmarca la Tesis dentro del esfuerzo actual en la búsqueda de nueva física.
El Capítulo 2 expone el modelo de nueva de física en el que realizamos esta Tesis: el Modelo Estándar Supersimétrico Mínimo. Se expone el contenido de partículas y sus interacciones. Se establece una predicción fundamental de SUSY a primer orden en teoría de perturbaciones: la igualdad de las interacciones de las partículas del Modelo Estándar y de las interacciones de sus compañeras SUSY. Se hace un repaso a los resultados experimentales y las restricciones que éstos ponen a las masas y parámetros de las partículas SUSY. Finalmente se definen una serie de conjuntos de parámetros SUSY que se van a utilizar para los análisis numéricos.
El Capítulo 3 presenta las correcciones cuánticas a las interacciones entre quarks-squarks-higgsinos/gauginos (las compañeras SUSY de los bosones de Higgs y gauge del SM), y se da una aproximación a éstas en función de acoplos efectivos [1, 2]. Estas correcciones suponen la rotura de la predicción a primer orden de igualdad entre los acoplos SUSY y no-SUSY.
El Capítulo 4 explica la codificación de estos acoplos efectivos en una de las herramientas computacionales (programas de Monte-Carlo) usada en el análisis de los datos del LHC [2, 3]. Esta codificación permite hacer predicciones y análisis de todo tipo de observables que incluyan estos acoplos, incluyendo las correcciones radiativas. En el Apéndice A se escribe explícitamente el código modificado.
En los Capítulos 5, 6 y 7 se calculan y analizan observables específicos del LHC usando el código anterior:
-- Capítulo 5: La producción y posterior desintegración de squarks de tipo top en el LHC. Los acoplos efectivos producen variaciones sustanciales en las predicciones de las secciones eficaces de producción de estas partículas [2].
-- Capítulo 6: La producción de tres quarks tipo top en el LHC. El mecanismo principal de producción de quarks top es la producción en parejas top-anti-top. La producción de tres quarks top está suprimida en el SM. Veremos que la presencia de SUSY predice una sección eficaz mayor para este proceso, que podría encontrarse en los datos futuros del LHC [4].
-- Capítulo 7: En la producción de parejas de quarks top en el LHC se pueden medir diversos observables diferenciales (relacionados con la distribución angular de los quarks y su polarización). Aquí analizamos los efectos de SUSY en dos de éstos: la polarización y la asimetría de carga [5].
El Capítulo 8 expone las conclusiones de esta Tesis. Se presenta también una traducción al castellano de las conclusiones en el Capítulo 9.
3. Conclusiones En esta Tesis hemos estudiado consecuencias fenomenológicas específicas de los acoplos quark-squark-chargino/neutralino en el Modelo Estándar Supersimétrico Mínimo (MSSM, por sus siglas en inglés) y sus correcciones radiativas. Mediante el uso de teorías efectivas, estas correcciones se pueden aproximar con un acoplo efectivo, que incluye las correcciones finitas de umbral a los acoplos Yukawa de los quarks [6-11] y un término adicional que crece con el logaritmo de la masa del gluino [1]. Estas correcciones implican una desviación de la predicción de Supersimetría (SUSY) de la igualdad entre el acoplo de los bosones Higgs/gauge y el de los higssinos/gauginos. Esta desviación es importante y se tiene que tener en cuenta en las mediciones experimentales de las relaciones SUSY. Encontramos que la descripción efectiva de las interacciones de los squarks es válida en el rango de m_{\tilde{g}} > 800 GeV si se cumple la relación de masas: m_{\tilde{g}}+m_{q}>m_{\tilde{q}}; un escenario fenomenológico de SUSY aún permitido al comparar con los experimentos que se desarrollan en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) [12, 13] donde los límites más conservadores de las masas de las spartículas están fijados para los gluinos en ~1 TeV y para los squarks de tercera generación entre 300 GeV-600 GeV. En la presente Tesis nos centramos en las posibles implicaciones de utilizar la descripción efectiva de las interacciones de los squarks en la física relacionada con el quark top en el LHC. A continuación resumimos el trabajo realizado.
1- Se ha implementado y verificado la descripción efectiva de las interacciones de los squarks con charginos y neutralinos en el MSSM [1] dentro de MadGraph [14-16], implementado en Ref. [2, 3]. Nuestra implementación se ha comprobado efectuando con ella el cálculo de la anchura parcial de desintegración de los squarks en charginos/neutralinos y comparándolas con los cálculos realizados utilizando FeynArts/FormCalc/LoopTools [17-19]. Encontramos un perfecto acuerdo entre ambos. Esta implementación nos permite realizar cualquier cálculo utilizando el método de Monte-Carlo teniendo en cuenta las principales correcciones radiativas SUSY a los acoplos quark-squark-chargino/neutralino.
Usando esta implementación, hemos calculado la anchura parcial de desintegración del squark top en charginos/neutralinos y varias secciones eficaces de procesos del LHC considerando la aproximación efectiva de interacciones de squarks [2].
1.1- Los resultados demuestran que para varias combinaciones de parámetros SUSY definidos para los Snowmass Points and Slopes SPS1b, SPS3, SPS7 [20] y Def1 [2], las correcciones radiativas a la anchura parcial de desintegración de cada canal del squark más ligero son muy diferentes. Por ejemplo, las desviaciones relativas respecto a los cálculos a nivel árbol en el escenario Def1 para algunas desintegraciones son: \delta^{Eff}(\tilde{t}_{1} -> t \chi^{0}_{1}) = +22.9%, \delta^{Eff}(\tilde{t}_{1} -> t \chi^{0}_{3}) = -33.9%, \delta^{Eff}(\tilde{t}_{1} -> b \chi^{+}_{1}) = +29.4%.
Por tanto, la aproximación efectiva tendrá un impacto importante en las probabilidades de desintegración del squark (y en las secciones eficaces de producción de partículas).
1.2- Hemos calculado la sección eficaz de producción de los charginos/neutralinos más ligeros (\chi_1^{+}, \chi_{1,2}^{0}) asociados con quarks de tercera generación del Modelo Estándar (SM, por sus siglas en inglés). Las correcciones radiativas son positivas en la mayoría del espacio de parámetros SUSY estudiado, produciendo un incremento de la sección eficaz de producción. Las correcciones a la sección eficaz de estos procesos crecen con el aumento de la masa del gluino [2].
2- Hemos calculado y analizado la producción de tres quarks top en el SM y en el MSSM [4]. Para este proceso la sección eficaz está suprimida en el SM y podría verse aumentada en el MSSM. Hemos ampliado los resultados de la Ref. [21].
2.1- Para el SM confirmamos los resultados de la Ref. [21]. Además, encontramos un 6% de incertidumbre teórica debido al uso de distintas escalas de renormalización. Los diagramas formalmente menos importantes (en potencias de \alpha_{s}) representan un 28% del total de la sección eficaz. La predicción para la sección eficaz es: \sigma^{SM}(pp -> 3t+X) \simeq (0,1, 0,18, 1,7) fb para \sqrt{s} = (7, 8, 14) TeV en el LHC.
2.2- En el MSSM encontramos que la aproximación de pequeña anchura utilizada en Ref. [21] subestima la sección eficaz de producción de tres quarks top a través de la producción de dos gluinos en alrededor del ~10%.
2.3- Hemos analizado varios escenarios representativos del MSSM: SPS2 [20], Def2 [4, 5], mod^{\pm} [22] y pMSSM1 [23]. A bajos valores de la masa de los gluinos (m_{\tilde{g}}\simeq 1 TeV) la sección eficaz de producción de tres quarks top puede ser uno o dos órdenes de magnitud mayor que en el SM. La sección eficaz en el MSSM decrece hasta valores próximos al del SM para m_{\tilde{g}}\simeq1.3 TeV-1.5 TeV. Para m_{\tilde{g}}=4 TeV la sección eficaz en el MSSM es 5-6 órdenes de magnitud menor que en el SM.
2.4- Otra fuente de tres quarks top en el estado final está dada para procesos iniciados por quarks bottom, que contienen uno o ningún gluino en los propagadores internos. Cuando la masa del gluino es baja, estos procesos son menores en aproximadamente un factor 10 respecto a procesos con dos gluinos, pero pueden ser 100 veces mayor para grandes masas del gluino.
2.5- Las correcciones radiativas a los acoplos quark-squark-chargino/neutralino [1, 2] producen correcciones moderadas, entre un +10% to -20% a bajos valores de \tan\beta~10, pero pueden alcanzar un +30% a alta \tan\beta~50. Su efecto es el de aplanar el comportamiento de la sección eficaz en función de \tan\beta . Estas correcciones son importantes para mediciones de moderada precisión, y para establecer los límites de exclusión/descubrimiento a precisiones moderadas de ~100 GeV.
2.6- La señal de tres quarks top podría ser visible a la energía de 14 TeV y con 300 fb^{-1} de datos recogidos por los experimentos del LHC. Si el gluino es más ligero que \simeq 1.5 TeV la señal supersimétrica sería competitiva con la del SM. A menores masas del gluino, en algunos escenarios supersimétricos (como mod^{+}), se puede esperar un aumento de la producción de tres quarks top en un factor 10-100, el cual podría ser fácilmente detectable en el LHC a 14 TeV.
3- Hemos analizado las posibilidades de discriminar entre diferentes escenarios del MSSM a través de las contribuciones a las asimetrías de carga de pares de quarks top [24], t\bar{t}, y hemos estudiado las implicaciones de estos escenarios en observables relacionados con la polarización del quark top [25, 26]. Nuestros resultados son comparados con las predicciones en el SM [5]. Enfocamos nuestro estudio a los efectos de la aproximación efectiva de las interacciones de los squarks en las asimetrías de carga de un par de quarks top y en los observables de polarización del quark top.
3.1- Los cálculos del MSSM se realizaron para varios escenarios SUSY: Def2 [5], LS [5], mod^{-} [22] y pMSSM2 [23].
3.2- Los valores de la asimetría t\bar{t} cambian según el escenario SUSY que se analice y el nivel de exactitud empleado en la descripción de los acoplos quark-squark-chargino/neutralino. Para bajos valores de rapidez media en el sistema de referencia del laboratorio, (y_{t}+y_{\bar{t}})/2, los resultados de la asimetría para SUSY y el SM son difíciles de distinguir. Por otra parte, para valores mayores de 1.5 las predicciones de SUSY se diferencian de las del SM pero se precisa de un mayor nivel de exactitud para llegar a conclusiones.
3.3- Las correcciones radiativas a los acoplos quark-squark-chargino/neutralino provocan un aumento en la polarización del quark top si se comparan con los valores obtenidos a nivel árbol. Los valores de polarización del quark top dependen del nivel de mezcla en el sector de los stop y de la diferencia de masa entre el stop y el neutralino.
3.4- Además, hemos analizado el poder de discriminación de otros observables relacionados con el quark top definidos como una combinación de energías de sus productos de desintegración. Obtenemos que la inclusión de las correcciones radiativas a través de la descripción efectiva de las interacciones de los squarks no cambia apreciablemente las distribuciones obtenidas a nivel árbol para estas variables.
En resumen, los resultados presentados en esta Tesis muestran la relevancia de la inclusión de las correcciones radiativas a los acoplos quark-squark-chargino/neutralino en el análisis de la fenomenología de SUSY en procesos relacionados a la física del LHC. La implementación de estas correcciones, a través de acoplos efectivos, en las herramientas de simulación de procesos de la física de altas energías mejoraría, con un bajo costo computacional, la exactitud de la simulación de escenarios SUSY en las colisiones hadrón-hadrón en el LHC. Nuestra implementación permite realizar cálculos más precisos que podrían ayudar a discernir si los acoplos entre los bosones Higgs/gauge son iguales a los existentes entre los higgsinos/gauginos como predice SUSY, por tanto, ayudarían en la difícil tarea de asignar el nombre de "superpartícula del MSSM" a la(s) nueva(s) partícula(s) que se descubra(n) en el LHC.
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[3] A. Abrahantes, J. Guasch, S. Peñaranda and R. Sánchez-Florit, http://www.ffn.ub.es/~guasch/progs/sqeffective/ .
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