Approches effectives dans le MSSM et au-delà : applications à la physique du Higgs et aux observables de matière sombre

par Guillaume Drieu-La Rochelle (Drieu la rochelle)

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Fawzi Boudjema.

Soutenue le 12-07-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Annecy-le-vieux de Physique des particules (équipe de recherche) .

Le président du jury était Genevieve Belanger.

Le jury était composé de Fawzi Boudjema, Christophe Grojean, Rohini Godbole.

Les rapporteurs étaient Abdelhak Djouadi, Ben matthew Gripaios.


  • Résumé

    Malgré le succès incontestable du Modèle Standard de la physique des particules, il est vraisemblable qu'il ne soit qu'une partie de la théorie complète de physique des particules -- comme c'est le cas des hypothèses de théories unifiées -- et ainsi de nombreux efforts ont été dédiés au développement de théorie de Nouvelle Physique. La Supersymmétrie est l'une des extensions les plus populaires puisque qu'elle permet non seulement de résoudre le problème de Naturalité mais présente aussi une candidat viable de matière sombre. Ce dernier point a été particulièrement mis en avant avec les récentes mesures expérimentales qui ont permis d'affiner significativement notre connaissance des propriétés de cette matière sombre. En particulier, la détermination de la densité relique de matière sombre dans l'univers est à présent réalisée avec une précision de l'ordre du pourcent. Dans le cadre du Modèle Standard Supersymmétrique Minimal (le MSSM), cette contrainte permet ainsi de tester la structure à une boucle de la théorie. Cependant c'est aussi un modèle présentant un très grand nombre de paramètres, comparé au Modèle Standard, et le calcul complet des observables à une boucle reste trop long pour être effectué sur l'ensemble de l'espace des paramètres. Dans cette thèse, je me suis ainsi intéressé à la possibilité de reproduire ces corrections à la boucle par un ensemble de couplages effectifs. L'approche effective présentant l'avantage de garder la simplicité d'un calcul effectué à l'arbre tout en conservant une trace des effets caractéristiques de boucles comme le non-découplage de certaines particules lourdes. Le LHC (Large Hadron Collider), dont les opérations ont démarrées juste après le début de ma thèse, soit à l'automne 2009, a fourni des données complémentaires aux observables de matière sombre. En effet le secteur du Higgs du MSSM est très peu flexible, ce qui a pour effet d'introduire ce que l'on appelle le problème du ``fine-tuning'', c'est à dire la nécessité d'avoir des valeurs très précises pour les paramètres. Afin d'y remédier, de nombreux modèles ont été créés au delà du MSSM, comme le NMSSM (en anglais Next-to-MSSM). Dans le but de suivre une approche plus générale, j'ai décidé au cours de cette thèse d'utiliser à nouveau l'approche effective, mais dans un but différent : alors que les couplages effectifs utilisés dans le cas de la matière sombre sont choisi pour reproduire le plus fidèlement possible les corrections à la boucle des particules du MSSM, les opérateurs effectifs que nous ajoutons au secteur du Higgs sont les effets à basse énergie (c'est à dire l'énergie de production du Higgs) d'une nouvelle physique à haute énergie. Bien que dédiées à deux buts différents, ces deux implémentations d'une même technique montrent bien ses différents atouts. Dans un des cas (celui du Higgs) les opérateurs effectifs permettent de paramétrer l'effet d'une physique ultraviolette inconnue, alors que dans l'autre cas cette physique ultraviolette se réduit au simple MSSM.

  • Titre traduit

    Effective approaches within and beyond the MSSM : application to Higgs physics and Dark Matter


  • Résumé

    Despite the numerous successes of the Standard Model of particle physics, it is believed that the complete picture of particle physics could be larger, as a unified theory for instance, and thus many efforts have been devoted to the development of theories of new physics. Supersymmetry is one of the most popular extensions since in addition to a solution of the naturalness issue, it provides a viable dark matter candidate. This last sector being all the more important now that recent experimental measurements have significantly increased our knowledge about dark matter properties, in particular the experimental determination of the relic density has reached the accuracy of a few percent. When applied to the Minimal Supersymmetric Standard Model (the MSSM, which is the simplest supersymmetric extension of the Standard Model), this constraint will thus shed light on the one-loop structure of the model. The MSSM is however much more liberal with unconstrained parameters than the Standard Model is, and the full one-loop computation of the relic density tends to be too long to be carried out throughout this large parameter space. In this thesis I have thus explored the opportunity of accounting for those loop corrections through a set of effective couplings. This effective approach has the advantage of keeping the simplicity of a tree-level computation but encoding at the same time genuine loop features such as the non-decoupling of heavy particles. Complementary to those constraints are the observables related to the LHC, which started taking data shortly after the beginning of my PhD in fall 2009. The Higgs sector of the MSSM is tightly constrained and this results in a certain fine-tuning of the model, which led to the creation of many models beyond the MSSM (such as the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model). Arguing for a more general approach, I have decided in this thesis to use again the effective approach but with a different aim : while the effective couplings in the case of dark matter are determined to account for the MSSM loop corrections, the effective operators we add to the Higgs sector of the MSSM are the remnants of the integration of a heavy extra spectrum. This effective approach, called the BMSSM (for Beyond the MSSM) is known to account for many different realisations of non-minimal supersymmetry, and we have used it as a framework to recast the results of the Higgs analyses carried out by ATLAS and CMS collaborations. This study has led to the caracterisation of the rich phenomenology of the Higgs sector in the BMSSM, with in particular the possibility for a signal quite different from Standard Model or MSSM expectations. Though based on distinct aims, the two implementations of the effective approach show the different advantages of an effective field theory. In the first case the effective operators are parametrising the effect of an unknown UV completion, whereas in the second we assume this UV completion to be the MSSM.


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