Phenomenological analysis of charged lepton flavour changes

par Albert Saporta

Thèse de doctorat en Physique théorique. Physique des particules

Sous la direction de Sacha Davidson et de Giacomo Cacciapaglia.

Soutenue le 17-07-2019

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Institut de physique nucléaire (Villeurbanne, Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Jules Gascon.

Le jury était composé de Sacha Davidson, Giacomo Cacciapaglia, Jean-Loïc Kneur.

Les rapporteurs étaient Christopher Smith, Ana M. Teixeira.

  • Titre traduit

    Phénoménologie des changements de saveur leptonique


  • Résumé

    Dans cette thèse de doctorat, nous étudions les processus de violation de la saveur des leptons chargés dans le cadre de la théorie des champs effective, dans laquelle les effets de nouvelle physique peuvent être paramétrés par des opérateurs invariants de jauge et de dimension plus élevées, construits avec les champs du modèle standard. La découverte de l'oscillation des neutrinos est une preuve claire que la violation de la saveur leptonique peut se produire et que les neutrinos ont une masse. Dans le modèle standard avec des neutrinos massifs, les processus de violation de la saveur des leptons chargés sont fortement supprimés, et la découverte de tels processus serait un signal clair de physique au-delà du modèle standard. Après une introduction générale sur le modèle standard de la physique des particules et au-delà, ce manuscrit contient deux chapitres d’introduction. Le premier chapitre présente le contexte théorique et expérimental pour les recherches de processus de violation de la saveur des leptons chargés, et leur potentiel pour contraindre les modèles de nouvelle physique. Nous faisons une revue de nombreux processus et des expériences actuelles, puis nous discutons des perspectives pour les expériences à venir. Le deuxième chapitre décrit le formalisme de l'approche de la théorie des champs effective. Nous discutons des principes de la renormalisation et du calcul des boucles avec la régularisation dimensionnelle. Nous discutons également des équations du groupe de renormalisation qui décrivent l’évolution et le mélange des coefficients avec l'échelle d'énergie. Enfin, nous abordons deux approches différentes dans la théorie des champs effective. Après avoir introduit le contexte expérimental et le formalisme de la théorie des champs effective, nous étudions la conversion d’un muon en électron dans les noyaux dans une approche top-down, et la violation de la saveur des leptons chargés dans les désintégrations à deux et trois corps de mésons pseudo-scalaires dans une approche bottom-up. Nous listons d'abord les opérateurs et les coefficients associés qui contribuent aux processus. Dans notre travail, nous nous concentrerons principalement sur les opérateurs de dimension six. Nous calculons les rapports de branchement pour chaque processus en fonction des coefficients des opérateurs à l 'échelle expérimentale et utilisons les bornes expérimentales pour contraindre les coefficients. Nous utilisons également les équations du groupe de renormalisation pour calculer l’évolution et le mélange des coefficients avec l'échelle d'énergie dans les approches top-down et bottom-up. Les résultats présentés dans cette thèse sont basés sur deux publications [1, 2]


  • Résumé

    In this doctoral thesis, we investigate charged lepton flavour violating processes in effective field theory, in which possible new physics effects can be parametrized by higher dimensional gauge invariant operators built from Standard Model fields. The discovery of neutrino oscillations is a clear evidence that lepton flavour violation can occur and that neutrinos are massive. In the Standard Model extended with massive neutrinos, charged lepton flavour violating processes are strongly suppressed, and the discovery of such processes would be a clear signal of physics beyond the Standard Model. After a general introduction on the Standard Model of particle physics and beyond, this manuscript contains two introductory chapters. The first one introduce the theoretical and experimental context for the searches of charged lepton flavour violating processes, and their huge potential to constrain new physics model. We make a review of many processes and the current experiments, then we discuss the prospects for the upcoming experiments. The second chapter describe the formalism of the effective field theory approach. We discuss the principles of renormalization and loop integrals calculations with dimensional regularization. We also discuss the renormalization group equations that describe the running and the mixing of the coefficients with the energy scale. Finally, we discuss two different approaches in effective field theories. After introducing the experimental context and the effective field theory formalism, we study the μ → e conversion on nuclei in a top-down approach and charged lepton flavour violating two and three body decays of pseudoscalar mesons in a bottom-up approach. We first list all the operators and their associated coefficients that contribute to the processes. In our work, we mostly focus on dimension six operators. We compute the branching ratios for each processes as a function of the operator coefficients at the experimental scale, and use the experimental upper limit to constrain the coefficients. We also use the renormalization group equations to compute the running and the mixing of the coefficients with energy scale in both top-down and bottom-up approaches. The results discussed in this thesis are based on two publications [1, 2]


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