Dissertations / Theses on the topic 'Higgs and Goldstone modes'

The Standard model of particle physics provides a successful theory to understand the experimental results of the electroweak and strong interactions. However, it does not have a satisfactory explanation for the hierarchy problem. Many extensions of the Standard Model that solve the hierarchy problem result in new particles. We will study the phenomenology of vector-like fermions resulting in theories where the Higgs boson is typically a pseudo-Nambu-Goldstone boson. In these theories we study the case where a heavy fermion will be heavier than a heavy gluon, and then the channel of a heavy fermion decaying into a color octet is considered. We study this phenomenology at high energy colliders, both the LHC as well as future machines.
O modelo padrão de física de partículas fornece uma teoria bem-sucedida para entender os resultados experimentais das interações eletrofracas e fortes. No entanto, não tem uma explicação satisfatória para o problema de hierarquia. Muitas extensões do Modelo Padrão que resolvem o problema hierarquia resultam em novas partículas. Estudaremos a fenomenologia de férmions vetoriais resultando em teorias onde o bóson de Higgs é tipicamente um bóson pseudo-Nambu-Goldstone. Nessas teorias, estudaremos o caso em que um férmion pesado será mais pesado do que um glúon pesado, e então o canal de um férmion pesado decaindo em um octeto de cor é considerado. Estudamos esta fenomenologia em colisores de alta energia, tanto para o LHC quanto as futuras máquinas.

Des distributions inhomogènes de l’aimantation existent lorsque le matériau n’est pas uniforme, ou lorsqu’une texture magnétique se forme dans un matériau homogène. Dans les deux cas, les symétries brisées modifient l’excitation et la propagation des ondes de spin et donnent lieu à des phénomènes surprenants. Dans ce contexte, nous avons étudié la propagation des ondes de spin dans une bicouche avec un contraste de l’aimantation de saturation dans la configuration Damon-Eshbach. Nous avons trouvé, à l’aide de simulations et expériences (spectroscopie d'ondes de spin propagatives et diffusion de Brouillon), que le système montre une très forte non-réciprocité en fréquence qui peut être utilisée pour réaliser une diode magnonique. Par ailleurs, nous avons étudié la dynamique des ondes de spin dans des couches minces qui présentent des domaines magnétiques en rubans faibles. Nous avons montré que ces ondes de spin peuvent être interprétées comme une extension des modes de Damon-Eshbach dans l’état saturé, qui s’adaptent à la brisure de symétrie. Nous avons également montré que les deux modes d’ondes de spin de plus basse fréquence correspondent aux modes de Goldstone et Higgs de la texture en rubans. Ces résultats ont été confirmés par des mesures de diffusion Brillouin et de résonance ferromagnétique
Inhomogeneous magnetization distributions may exist because the magnetic parameters are distributed, or because magnetic textures nucleate in homogenous materials. In both cases, the broken symmetries affect the spin-wave excitation and propagation, leading to a number of intriguing phenomena. In this context, we have studied the propagation of spin waves in a bilayer with a saturation magnetization contrast for the Damon-Eshbach configuration. We have found, by means of simulations and experiments (Propagating Spin Wave Spectroscopy and Brillouin Light Scattering), that this system shows a strong frequency non-reciprocity which can be used for the realization of a spin-wave diode. We have also studied the spin-wave dynamics in thin films which exhibit weak magnetic stripe domains. We have shown how these modes can be interpreted as an extension of the Damon-Eshbach spectrum of the saturated state, which adapts to the symmetry breaking. Furthermore, we have identified the two lowest frequency modes to the Goldstone- and Higgs- modes of the stripe texture. These results were confirmed by Brillouin Light Scattering and Ferromagnetic Resonance experiments

L’étude des propriétés du boson de Higgs représente une excellente opportunité pour la recherche de Nouvelle Physique. En particulier, sa masse est mesurée avec une précision impressionnante, de l’ordre de 0.1%, tandis qu’elle est aussi prédite par certains modèles au-delà du Modèle Standard, notamment les modèles supersymétriques. Le but de cette thèse est de faire avancer le calcul des corrections radiatives aux masses des scalaires dans les modèles au-delà du Modèle Standard, ainsi que l’automatisation de ces calculs, afin d’établir ou d’améliorer les limites sur les couplages entre la Nouvelle Physique et le boson de Higgs. Nous calculons d’abord les corrections dominantes à deux boucles, de la forme O(alpha_s alpha_t), aux masses des scalaires neutres dans les modèles supersymétriques à jauginos de Dirac. Ensuite, nous montrons comment surmonter la Catastrophe des Bosons de Goldstone, un cas de divergences infrarouges dues aux bosons de Goldstones de masses nulles qui affecte les calculs de potentiels effectifs, d’équations « tadpoles » et d’énergies propres, en adoptant un schéma de renormalisation « on-shell » pour les masses des bosons de Goldstone. Nous illustrons la mise en œuvre numérique de notre solution dans le programme SARAH, et finalement, nous considérons le comportement aux hautes énergies de modèles non-supersymétriques avec des secteurs scalaires étendus
The Standard Model-like Higgs boson provides an excellent setting for the indirect search of New Physics, through the study of its properties. In particular its mass is now measured with an astonishing precision, of the order of 0.1%, while being predicted in some models of Beyond the Standard Model (BSM) Physics, such as supersymmetric (SUSY) models. The main purpose of this thesis is to push further the calculation of radiative corrections to Higgs boson masses in BSM models, as well as the automation of these calculations, in order to set or improve constraints on New Physics coupling to the Higgs boson. A first chapter is devoted to the computation of the leading two-loop O (alpha_s alpha_t) corrections to neutral scalar masses in SUSY models with Dirac gauginos. Then, we show to address the Goldstone Boson Catastrophe -- a case of infra-red divergences due to massless Goldstone bosons that plague the calculation of effective potentials, tadpole equations, and self-energies -- in the context of general renormalisable field theories, by adopting an on-shell renormalisation scheme for the Goldstone masses. Afterwards, we illustrate the numerical implementation of our solution to the Goldstone Boson Catastrophe in the public tool SARAH. Finally, in a last chapter, we consider the high-scale behaviour of non-supersymmetric models with extended Higgs sectors

Thesis advisor: Kevin S. Bedell
The Landau Fermi liquid theory is a very successful theory in condensed matter physics. It provides a phenomenological framework for describing thermodynamics, transport and collective modes of itinerant fermionic systems. In 1957, Silin described the spin waves in polarized Fermi liquids based on Landau Fermi liquid theory, which are related to series of components of the spherical harmonic expansion of the fermi surface. It has been proved by Pomeranchuck that for the Fermi surface to be stable, the Landau parameters should satisfy the relation: $F_l^{s,a}>-(2l+1)$. Whenever the relation is violated, there will exist an instability of the Fermi surface known as a Pomeranchuck instability, such as the Stoner ferromagnetism when $F_0^a→ -1^+$, or phase separation when $F_0^s→ -1^+$. In 1959, Abrikosov and Dzyaloshinskii developed a ferromagnetic Fermi liquid theory(FFLT) of itinerant ferromagnetism based on Landau Fermi liquid theory, whose microscopic foundations were established later by Dzyaloshiskii and Kondratenko. Further studies had been made of this state using a generalized Pomeranchuck instability based on the FFLT of Blagoev, Engelbrecht and Bedell and Bedell and Blagoev. In this thesis, I study a magnetically ordered system with spin orbit magnetism, where the order parameter has a net spin current and no net magnetization in both two dimension and three dimension. Starting from a Fermi liquid theory, similar to that for a weak ferromagnet, I have shown that this excitation emerges from an exotic magnetic Fermi liquid state that is protected by a generalized Pomeranchuck condition. I derive the propagating mode using the Landau kinetic equation, and find that the dispersion of the mode has a $sqrt q$ behavior in leading order in 2D. I also find an instability toward superconductivity induced by this exotic mode, and a further analysis based on the forward scattering sum rule strongly suggests that this superconductivity has triplet pairing symmetry. I perform similar studies in the 3D case, with a slightly different magnetic system and find that the mode leads to a Lifshitz-like instability most likely toward an inhomogeneous magnetic state in one of the phases. I also study the collective modes in itinerant ferromagnetic system, which is related to the $F_0^a$ pomeranchuck instability. Using FFLT, I obtained the well-known magnon (Nambu-Goldstone) mode and a gapped mode that was first found by Bedell and Blagoev. I have identified this mode as the Higgs boson (amplitude mode) of a ferromagnetic metal. This is identified as the Higgs since it can be shown that it corresponds to a fluctuation of the amplitude of the order parameter. I use this model to describe the itinerant-electron ferromagnetic material MnSi. By fitting the model with the existing experimental results, I calculate the dynamical structure function and see well-defined peaks contributed from the magnon and the Higgs. From my estimates of the relative intensity of the Higgs amplitude mode I expect that it can be seen in neutron scattering experiments on MnSi
Thesis (PhD) — Boston College, 2014
Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences
Discipline: Physics

La théorie effective à basse énergie du secteur électrofaible sans particule de Higgs utilise les méthodes de la Théorie de Perturbation Chirale. La formule de comptage de Weinberg montre la cohérence du développement en boucles, avec la renormalisation correspondante. En revanche, on trouve que certains opérateurs effectifs, supprimés par une échelle de masse dans le cas du Modèle Standard, ne le sont plus dans le cas sans Higgs. De plus, ils apparaissent à l'ordre dominant du développement chiral, en conflit avec les expériences. Pour décrire leur suppression, on demande l'invariance sous la symétrie obtenue lorsque le secteur composite (produisant les trois modes de Goldstone) et le secteur élémentaire (quarks, leptons et champs de Yang Mills) sont découplés. On introduit alors les couplages en réduisant la symétrie à SU(2)xU(1), via des spurions. Les opérateurs indésirables n'apparaissent qu'aux ordres supérieurs du développement simultané en puissances des impulsions et des spurions. De plus, la brisure de l'isospin faible est traitée de façon systématique et la formule de comptage de Weinberg peut être reproduite. Les spurions permettent de rendre compte des faibles masses des neutrinos actifs. Trois neutrinos droits, légers par rapport au TeV, sont introduits afin de préserver une symétrie custodiale : ils sont quasi-stériles et stables et peuvent contribuer à la matière sombre. On étudie également le raccordement des anomalies dans le secteur composite, généralisant la construction de Wess-Zumino : on obtient une contrainte sur la théorie sous-jacente. Appliquant le formalisme des spurions aux modèles moose, on démontre des règles de somme de Weinberg généralisées
The low-energy effective theory of electroweak symmetry-breaking without a Higgs particle is constructed using the methods of Chiral Perturbation Theory. Weinberg's power-counting formula demonstrates the consistency of the loop expansion, with the corresponding renormalization. We find that the suppression of effective operators by a mass scale, which was automatic in the case of the Standard Model, no longer holds in the Higgs-less case for a specific class of operators. Moreover, the incriminated operators appear at leading order in the chiral expansion, in conflict with experiments. To account for their suppression, invariance under a larger symmetry is required, corresponding to the composite sector (which produces the three Goldstone modes) being decoupled from the elementary sector (quarks, leptons and Yang-Mills fields). The couplings are introduced via spurions: this reduces the symmetry to SU(2)xU(1). Ln the simultaneous expansion in powers of momenta and spurions, the aforementioned operators are relegated to higher orders. Ln addition, the method allows for a systematic treatment of weak isospin breaking. The Weinberg power-counting formula can be recovered, and small neutrino masses accounted for. The three right-handed neutrinos (lighter than the TeV) are introduced in connection with the custodial symmetry: they are quasi-sterile and stable and may thus contribute to dark matter. We also obtain a constraint on the underlying theory by studying the anomaly-matching in the composite sector and generalizing the Wess-Zumino construction. The spurion formalism is also applied to open linear moose models, for which generalized Weinberg sum rules are derived

The thesis work concentrated on the developments of selection strategies for the observation of MSSM Higgs bosons in the context of the CMS experiment. The thesis shows, by an example with a MSSM (Minimal Supersymmetric Standard Model) Higgs decaying into two tau, how to define the trigger strategy. The method can be applied for any final state.

An evaluation of how sensitive some ATLAS searches for new physics are to a new beyond standard model (BSM) vector-like quark (VLQ) and a pseudo Nambu-Goldstone boson (pNGB) scalar. This was done by simulating a signal containing these new particles and making a recast of it onto existing verified ATLAS searches for new physics at center-of-mass (CM) energy of 13 TeV (Run 2) at the Large Hadron Collider (LHC). Signals for recasting were tailored such that their final states would be appropriate in relation to each respective ATLAS search in order to use the same selection criteria as applied in the existing searches. The results are summarized in the form of significances (Z) for each masspoint of the new top-partner and S particle. Significances did not show any expectiation of excluding any masspoint in the examined mass range for the recasts at 95% CL. This suggests that a dedicated search for these particles in the considered masspoints would be required.

Diverses techniques d'analyse ont ete utilisees pour tenter de mieux comprendre le processus d'alignement des cristaux liquides ferroelectriques sur des polymeres frottes. Des mesures optiques et dielectriques, dans la mesophase smectique s#a composee de molecules chirales, nous ont permis d'etudier l'influence de la chiralite sur la dynamique de basculement des molecules sous l'effet d'un champ electrique (effet electroclinique). Nous avons etudie, par spectroscopie tfir par double modulation, dans la mesophase ferroelectrique s#c*, la contribution des differents groupes moleculaires au mouvement de precession de la molecule soumise a un champ electrique (mode de goldstone), en utilisant une methode d'analyse originale

The Higgs self-coupling has a vital role by giving a deeper understanding of the Higgs particle. Furthermore, the way it opens to physics beyond the SM, encourages us to do MC simulationstudies for varying λ_hhh . In this project, we investigate the effects of choosing different values for λ_hhh on the kinematics of all particles involved in the hh → τ τ τ τ decay channel and the resultsare compared with what we get from the SM prediction of λ_hhh .The data show that λ_hhh more close to the SM trilinear Higgs self-coupling results in generatingthe Higgs particles with the higher masses and higher momenta. On the other hand, for the moremassive Higgs bosons we have more energetic neutrinos in the final states which escape from thedetector without being detected.

Dans cette thèse, mes contributions personnelles à l'expérience ATLAS sont présentées. Elles consistent en des études de performance et des analyses physiques concernant les photons, dans le cadre de la recherche du boson de Higgs. La première partie de cette thèse contient des analyses de performance sur le détecteur. Une étude de performance du système de haute tension du calorimètre électromagnétique (EMCAL) est présentée. Plus précisément, l'effet du aux résistances d'électrodes du EMCAL sur la mesure de l'énergie est investigué, et mesuré négligeable dans la plupart des cas. Par la suite, des études de performance de la reconstruction des photons sont présentées, l'étalonnage standard du EMCAL est validé à l'aide de photons provenant de désintégrations radiatives du boson Z. La deuxième partie de ce document concerne deux analyses de physique, portant sur la recherche du boson de Higgs dans les canaux de désintégration yy et Zy. Ma contribution principale à ces analyses fut le développement d'un modèle analytique de résolution du signal, construit pour répondre à la nécessité d'une interpolation de la fonction de densité de probabilité de la masse invariante du signal. Les résultats présentés sur la recherche du boson de Higgs dans le canal en di-photon proviennent de 4,8 fb⁻¹ de données enregistrées à une énergie du centre de masse de√s = 7 TeV et de 5,9 fb⁻¹ à √s = 8 TeV. Un excès d'événements est observé dans la distribution de masse invariante des paires de photons, aux alentours de 126,5 GeV, avec une significance locale de 4,5 déviations standard. La combinaison de ce résultat avec ceux obtenus dans les recherches du boson de Higgs dans les canaux H → ZZ et H → WW démontre l'existence d'une nouvelle particule a une masse de 126, 0±0, 4(stat. )±0, 4(syst. ) GeV. Ce résultat est compatible avec le boson scalaire du modèle standard de la physique de particules. La recherche du boson de Higgs dans le canal Zy, est effectuée à l'aide de 4, 8 fb⁻¹ de données enregistrées à √s = 7 TeV et de 20, 7 fb⁻¹ à √s = 8 TeV. Aucune déviation significative du bruit de fonds prédict par le modèle standard est observée. Les limites supérieures à 95% de niveau de confiance sur le produit de la section efficace avec le rapport d'embranchement sont à 18,2 (observé) et à 13,6 (attendu) fois le modèle standard pour une masse de 125 GeV
In this thesis my personal contributions to the ATLAS experiment are presented, consisting of detector oriented studies and physics analyses concerning photons in the context of the search for the Higgs boson. The first part of this thesis contains detector performance analyses on the electromagnetic calorimeter (EMCAL) high-voltage system. The effect of the resistors in the electrodes of the EMCAL on the energy measurement is investigated and found to be small in most of the cases. Furthermore, photon reconstruction performance studies are presented, where a data-driven validation to the standard calibration is performed by extracting the photon energy scales from a sample of Z radiative decays. The second part of this document concerns the physics analyses, such as the searches for the Higgs Boson in the yy and Zy decay channels. My main contribution to these analysis consists of an analytical resolution model for the signal, built to satisfy the need for an interpolation of the invariant mass probability density function to perform the search. The di-photon decay channel results uses 4. 8 fb⁻¹ of data recorded at a centre-ofmass energy of √s = 7 TeV et de 5,9 fb⁻¹ à √s = 8 TeV. An excess of events is observed around a mass of 126. 5 GeV with a local significance of 4. 5 standard deviations. These results, combined with those obtained in the in the H → ZZ and H —> VVW channel confirm the discovery of a new boson with a mass of 126. 0 ± 0. 4(stat)±0. 4(sys) GeV, consistent with the long searched-for Higgs boson. In the H → Zy channel, the search is performed using 4. 8 fb⁻¹ at √s = 7 TeV et de 20, 7 fb⁻¹ at √s = 8 TeV. No significant deviations from the SM background expectations are observed and upper limits on the cross sections times branching ratio are set. For a mass of 125 GeV, the expected and observed limits are 13. 5 and 18. 2 times the SM, respectively

Dans cette thèse, mes contributions personnelles à l'expérience ATLAS sont présentées. Elles consistent en des études de performance et des analyses physiques concernant les photons, dans le cadre de la recherche du boson de Higgs. La première partie de cette thèse contient des analyses de performance sur le détecteur. Une étude de performance du système de haute tension du calorimètre électromagnétique (EMCAL) est présentée. Plus précisément, l'effet du aux résistances d'électrodes du EMCAL sur la mesure de l'énergie est investigué, et mesuré négligeable dans la plupart des cas. Par la suite, des études de performance de la reconstruction des photons sont présentées, l'étalonnage standard du EMCAL est validé à l'aide de photons provenant de désintégrations radiatives du boson Z. La deuxième partie de ce document concerne deux analyses de physique, portant sur la recherche du boson de Higgs dans les canaux de désintégration γγ et Zγ. Ma contribution principale à ces analyses fut le développement d'un modèle analytique de résolution du signal, construit pour répondre à la nécessité d'une interpolation de la fonction de densité de probabilité de la masse invariante du signal. Les résultats présentés sur la recherche du boson de Higgs dans le canal en di-photon proviennent de 4,8 fb−1 de données enregistrées à une énergie du centre de masse de √s = 7 TeV et de 5,9 fb−1 'a √s = 8 TeV. Un excès d'événements est observé dans la distribution de masse invariante des paires de photons, aux alentours de 126,5 GeV, avec une significance locale de 4,5 déviations standard. La combinaison de ce résultat avec ceux obtenus dans les recherches du boson de Higgs dans les canaux H → ZZ et H → WW démontre l'existence d'une nouvelle particule a une masse de 126, 0±0, 4(stat.)±0, 4(syst.) GeV. Ce résultat est compatible avec le boson scalaire du modèle standard de la physique de particules. La recherche du boson de Higgs dans le canal Zγ, est effectuée à l'aide de 4, 8 fb−1 de données enregistrées à √s = 7 TeV et de 20, 7 fb−1 à √s = 8 TeV. Aucune déviation significative du bruit de fonds prédict par le modèle standard est observée. Les limites supérieures à 95% de niveau de confiance sur le produit de la section efficace avec le rapport d'embranchement sont à 18,2 (observé) et à 13,6 (attendu) fois le modèle standard pour une masse de 125 GeV.

The Standard Model of particle physics is the best existing theory for describing the interactions between elementary particles. Even though the Standard Model has been confirmed in many experiments, there remain unanswered questions. One of the main questions is how fermions and most gauge bosons get masses; the Standard Model begins with them as massless. The Higgs effect is a mechanism to explain how fermions and several gauge bosons do get masses in the Standard Model. The corresponding Higgs boson is the only particle that has not yet been detected. This Thesis gives a complete review of the Higgs effect and Higgs related topics. It starts with theoretical basics and develops the theory of the Higgs effect within the electroweak section of the Standard Model. The discussion then considers the topics of radiative corrections and the effect of the Higgs boson as a virtual particle, concentrating on the example of the rho-parameter. In addition, experimental and theoretical constraints for the Higgs mass M_H will be given with special emphasis on the Hierarchy Problem which leads to a physically unacceptable Higgs mass when using high energies (of the Grand Unification scale) as a cutoff for the radiative corrections. Furthermore experimental attempts to detect the Higgs boson at LEP2, TEVATRON and LHC will be described and the different decay channels discussed. Finally, alternative theoretical models beyond the Standard Model are motivated and presented, such as supersymmetry, a vectorlike Standard Model and a possible relation between the Higgs and the Inflaton of Cosmology.

The minimal renormalizable SO(10) Higgs model with the unified gauge sym- metry broken down by the adjoint representation 45S is known to suffer from tachyonic instabilities along all potentially realistic symmetry breaking chains. Few years ago, this issue has been identified as a mere relic of the tree-level cal- culations and the radiative corrections to the masses of the pair of the "most dangerous" pseudo-Goldstone scalars transforming as (8, 1, 0) and (1, 3, 0) with respect to the SU(3)c × SU(2)L × U(1)Y Standard model gauge group were com- puted. Remarkably enough, it turns out that in the minimal potentially realistic renormalizable realization of the model - consisting of 45S ⊕ 126S scalar and 45G gauge fields - there is third pseudo-Goldstone scalar, a full singlet with respect to the Standard model gauge group that, until recently, happened to escape the community's attention. In this thesis we computed the one-loop corrections to its mass employing two different methods within the effective potential approach. In both cases we reduced the complexity of our calculations by decomposition into the Standard model irreducible representations. In the end, we cross-checked the resulting formulae in four distinct symmetry breaking limits in which the pseudo- Goldstone mass was degenerated with those of...