New heavy resonances : from the electroweak to the planck scale

par Florian Lyonnet

Thèse de doctorat en Physique subatomique et astroparticules

Sous la direction de Ingo Schienbein.

Soutenue le 23-09-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble) (laboratoire) et de Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (laboratoire) .

Le président du jury était François Montanet.

Le jury était composé de Jean Orloff, Roberto Bonciani, Michael Klasen.

Les rapporteurs étaient Aldo Deandrea, Jean-Loïc Kneur.

  • Titre traduit

    Nouvelles résonances lourdes : de l'échelle électrofaible à l'échelle de Planck


  • Résumé

    Le principe d'invariance de jauge local est au centre de la physique des particules moderne. Dans le modèle standard (MS), il repose sur le groupe de jauge ad hoc SU(3)_c x SU(2)_L x U(1)_Y. L'idée d'étendre ce groupe de jauge est particulièrement attrayante dans une perspective de ``Grand Unified Theory'' (GUT) où le MS est la limite basse énergie d'une théorie plus fondamentale basée sur un groupe de jauge beaucoup plus large tel que SO(10) ou E(6). En effet, lors de la brisure de symétrie du groupe de GUT au MS, des facteurs de groupe non-brisés supplémentaires, tels que U(1) ou SU(2), peuvent apparaitre. Ce manuscrit est consacré à la phénoménologie de modèles avec un groupe de jauge étendu. En particulier, les études présentées sont centrées sur les modèles basés sur le groupe de jauge SU(2) x SU(2) x U(1) dénotés G(221). De manière générique, ces modèles prédisent de nouveaux bosons de jauges, Z' et W'.Après une brève présentation des modèles G(221), un nouveau code publique, PyR@TE, qui permet de déterminer les équations du groupe de renormalisation à deux boucles pour une théorie de jauge arbitraire est introduit. Ce code est ensuite utilisé pour déterminer les RGEs des modèles de la classe G(221). La suite du manuscrit est dédiée à la présentation des résultats obtenus sur le calcul des corrections radiatives QCD de la production électrofaible d'une paire de quarks top dans le cadre des modèles G(221), i.e. en présence d'un nouveau boson de jauge Z'. Ces résultats font l'objet d'une implémentation dans le générateur d'événements Monte Carlo POWHEG BOX et les premiers résultats numériques obtenus sont présentés. Les derniers développements concernant le calcul des corrections QCD à la production électrofaible de single-top sont également revus. Enfin, la dernière partie de ce manuscrit est consacrée à l'étude de l'impact de nouvelles résonances W', Z', telles que celles présentes dans les modèles G(221), sur l'interaction des neutrinos d'ultra-haute énergie dans l'atmosphère. Ces interactions sont recherchées par l'observatoire Pierre Auger dans les douches de particules produites par l'interaction des rayons cosmiques avec les particules de l'atmosphère.


  • Résumé

    The principle of local gauge invariance is a pillar of modern particle physics theories and in the SM relies on the ad-hoc gauge group structure SU(3)_c x SU(2)_L x U(1)_Y. Extending this gauge group is very well motivated in a Grand Unified Theory (GUT) perspective in which the SM is the low-energy limit of a more fundamental theory based on a larger gauge group like SO(10) or E(6). Indeed, the symmetry breaking (SB) of the underlying GUT gauge group, down to the SM one, leaves some additional group factors unbroken, such as U(1) or SU(2). In this spirit, we focus in this manuscript on the phenomenology of extended gauge group models and on the new heavy neutral and charged resonances, generically called Z' and W' predicted by these.In this manuscript we present different aspects of the phenomenology of the G(221) models. After reviewing these extensions, we present a public tool, PyR@TE, that aims at automating the calculation of RGEs at two-loop for arbitrary gauge theories and exemplify its use with the G(221) models. In a second part, we present our results for the calculation of the QCD corrections to the electroweak top-pair production as well as their implementation in a general purpose Monte Carlo generator allowing for a consistent matching of next-to-leading order (NLO) matrix elements with parton shower algorithms, the POWHEG BOX. We then review the status of our calculation of the QCD corrections to the electroweak single-top production. Finally, we present a different aspect of the phenomenology of new heavy resonances, Z', W' by studying their impact on the interaction of ultra-high energy neutrinos in the atmosphere. For definiteness we consider the Pierre Auger Observatory, which is sensible to showers initiated by neutrinos of extreme energies up to 10E12 GeV


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