Effective Field Theory as a probe for physics beyond the Standard Model

Abstract

The main topic of this thesis is the study of Standard Model (SM) extensions within the framework of Effective Field Theory (EFT), where it is assumed that undiscovered particles exist at energies higher than those accessible to current experiments. There are two ways to utilize EFTs for making meaningful predictions. The first is the top-down approach, where the ultraviolet (UV) physics model is known, and our goal is to determine the effects of heavy particles in the low-energy (infrared, or IR) regime via a process known as matching. In contrast, the bottom-up approach is agnostic about the UV model; our starting point is the EFT Lagrangian, and our main concern is to constrain the free parameters in the low-energy EFT as much as possible using experimental data, thereby extracting hints about the dynamics that may describe the processes in the UV. Both approaches have their advantages and disadvantages, and this thesis aims to highlight their complementarity. Specifically, there is a certain class of hypothetical particles called leptoquarks, which, as their name suggests, couple the leptonic doublet and the quark doublet to form new interactions. We have developed a universal formula for one-loop matching of all types of scalar leptoquarks onto the Standard Model Effective Field Theory (SMEFT) and have applied it to decouple an SU(2) doublet and a triplet within this formalism. The effects of these new particles are studied in the IR regime, leading to phenomena such as the generation of neutrino masses and a sizeable contribution to the muon magnetic moment. Additionally, following the first-ever evidence of the Higgs boson decaying into a Z-boson and a photon—and noting a mild discrepancy with the SM prediction—we study the Higgs sector observables using the bottom-up approach. We pinpoint the size of the Wilson coefficients (WCs) needed to account for the observed deviation. Moreover, we explore several single- and two-field scalar and fermionic extensions of the SM that could match the size of the WCs found in the model-independent analysis, highlighting the importance of the complementarity of both approaches. In a similar vein, another discrepancy that had long persisted—but has recently diminished—lies in the lepton flavor universality ratios $R_{K}$ and $R_{K^\ast}$. Our main task was to calculate the maximum deviation obtainable within the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) by matching it onto the Low Energy Effective Field Theory (LEFT). This approach allowed us to analyze these lepton flavor universality ratios within a consistent EFT framework.

Το κύριο θέμα αυτής της διατριβής είναι η μελέτη επεκτάσεων του Καθιερωμένου Μοντέλου (ΚΠ) στο πλαίσιο των Ενεργών Θεωριών Πεδίου (ΕΘΠ), που έχει ως κύρια παραδοχή ότι τα σωματίδια που δεν έχουν ακόμη ανακαλυφθεί υπάρχουν σε ενέργειες υψηλότερες από αυτές που είναι προσβάσιμες από τα τρέχοντα πειράματα. Υπάρχουν δύο τρόποι να χρησιμοποιηθούν οι ΕΘΠ για την παραγωγή ουσιαστικών προβλέψεων. Ο πρώτος είναι η προσέγγιση από πάνω προς τα κάτω, όπου το υπεριώδες μοντέλο φυσικής είναι γνωστό και στόχος μας είναι να καθορίσουμε τις επιδράσεις των βαρέων σωματιδίων στο χαμηλής ενέργειας (υπέρυθρο) καθεστώς μέσω μιας διαδικασίας γνωστής ως αντιστοίχιση. Αντιθέτως, η προσέγγιση από κάτω προς τα πάνω είναι αγνωστικιστική της προηγούμενης· το σημείο εκκίνησής μας είναι η Λαγκρανζιανή της ΕΘΠ, και ο κύριος στόχος μας είναι να περιορίσουμε όσο το δυνατόν περισσότερο τις ελεύθερες παραμέτρους στην ΕΘΠ χαμηλής ενέργειας χρησιμοποιώντας πειραματικά δεδομένα, εξάγοντας έτσι ενδείξεις για τη δυναμική που μπορεί να περιγράφει τις διαδικασίες στο υπεριώδες. Και οι δύο προσεγγίσεις έχουν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους, και αυτή η διατριβή υπογραμμίζει τη συμπληρωματικότητά τους. Συγκεκριμένα, υπάρχει μια κατηγορία σωματιδίων που ονομάζονται λεπτοκουάρκς, τα οποία, όπως υποδηλώνει το όνομά τους, συζεύγουν την λεπτονική διπλέτα με τη διπλέτα των κουάρκ σχηματίζοντας έτσι νέες αλληλεπιδράσεις. Αναπτύξαμε μια καθολική φόρμουλα για την αντιστοίχιση σε επίπεδο ενός βρόχου όλων των βαθμωτών λεπτοκουάρκς στη ΕΘΠ του Καθιερωμένου Προτύπου και την εφαρμόσαμε για να αποσυζεύξουμε μια διπλέτα και μια τριπλέτα λεπτοκουάρκ, κάτω απο την συμμετρία βαθμίδος SU(2), εντός αυτού του πλαισίου. Οι επιδράσεις αυτών των νέων σωματιδίων μελετώνται στο υπέρυθρο καθεστώς, οδηγώντας σε φαινόμενα όπως η δημιουργία μαζών για τα νετρίνα καθώς και μια σημαντική συμβολή στη μαγνητική ροπή του μιονίου. Επιπλέον, μετά τα πρόσφατα δεδομένα για την πρώτη πειραματική ανακάλυψη της διάσπασης του μποζονίου Higgs σε ένα μποζόνιο Z και ένα φωτόνιο—και σημειώνοντας μια ήπια απόκλιση από την πρόβλεψη του ΚΠ—μελετούμε τον τομέα του Higgs χρησιμοποιώντας την προσέγγιση από κάτω προς τα πάνω. Προσδιορίζουμε το μέγεθος των συντελεστών Wilson (WCs) που απαιτούνται για να εξηγηθεί η παρατηρούμενη απόκλιση και επιπλέον, εξερευνούμε βαθμωτές και φερμιονικές επεκτάσεις του ΚΠ με ένα ή δύο πεδία που θα μπορούσαν να αντιστοιχούν στο μέγεθος των WCs που βρέθηκαν στην παραπάνω ανάλυση, αναδεικνύωντας έτσι τη σημασία της συμπληρωματικότητας των δύο προσεγγίσεων. Με παρόμοιο τρόπο, μια άλλη απόκλιση που είχε παραμείνει για μεγάλο χρονικό διάστημα—αλλά πρόσφατα μειώθηκε—αφορά τους λόγους καθολικότητας λεπτονικής γεύσης $R_{K}$ και $R_{K^\ast}$. Υπολογίσαμε τη μέγιστη απόκλιση που μπορεί να επιτευχθεί εντός του Απλού Υπερσυμμετρικού Καθιερωμένου Προτύπου με την αντιστοίχισή του στην ΕΘΠ Χαμηλής Ενέργειας. Αυτή η προσέγγιση μας επέτρεψε να αναλύσουμε αυτούς τους λόγους καθολικότητας λεπτονικής γεύσης εντός ενός συνεπούς πλαισίου ενεργών θεωριών πεδίου.