Phenomenology of a new Supersymmetric Standard Model, the Mu Nu SSM
Javier Fidalgo Prieto · 2011
La puesta en marcha del Large Hadron Collider (LHC) se puede considerar como un hito crucial en la historia de la Fisica de Particulas ya que se va a explorar por primera vez la escala de energia del TeV. Con este acelerador de particulas se pretende verificar el unico sector del Modelo Estandar (SM) que no ha sido comprobado experimentalmente, el sector de Higgs, que da origen a las masas de las particulas del SM. A pesar del enorme exito del SM para describir con gran precision muchos de los fenomenos observados hasta ahora en Fisica de Particulas, existen numerosos argumentos que indican que el SM no puede ser la teoria ultima de la naturaleza y que debe existir nueva fisica a la escala del TeV. Se espera que el LHC encuentre senales de nueva fisica. Una de las teorias mas prometedoras que compiten por ser la nueva fisica que describa la naturaleza a la escala del TeV es Supersimetria (SUSY), una simetria entre bosones y fermiones que resuelve el problema de las jerarquias y tiene numerosas implicaciones fenomenologicas. Existen numerosos modelos supersimetricos siendo el Modelo Estandar Supersimetrico Minimo (MSSM) el mas sencillo y por tanto, el mas estudiado. Sin embargo, el MSSM presenta diversos problemas que otros modelos supersimetricos tratan de resolver. En esta tesis, se va a estudiar la fenomenologia de un modelo supersimetrico propuesto recientemente, el MuNuSSM. Este modelo resuelve de una forma elegante y minima dos problemas que presentan el MSSM y otros modelos supersimetricos: el problema Mu y la no implementacion de la evidencia experimental de la masa de los neutrinos. Esto se consigue anadiendo supercampos de neutrinos dextrogiros y permitiendo la violacion de la simetria Rparity. El problema Mu se resuelve generando un termino Mu efectivo a partir de los Valores Esperados en el Vacio (VEVs) de los sneutrinos dextrogiros y las masas de los neutrinos se generan a partir de un seesaw a la escala electrodebil. El objetivo de esta Tesis ha sido estudiar las cuestiones mas relevantes de la fenomenologia del MuNuSSM. En ella se pretende estudiar el vacio del modelo en el caso mas general, con VEVs complejos ya que el MuNuSSM tiene una peculiaridad que no tienen otros modelos supersimetricos: puede presentar violacion espontanea de CP a nivel arbol. Ya que la fisica de neutrinos es una de las motivaciones de este modelo, se pretende estudiar en profundidad el sector de neutrinos del MuNuSSM, tanto analitica como numericamente para demostrar que el MuNuSSM es capaz de reproducir todos los resultados experimentales de neutrinos que hay en la actualidad. Ademas, como R-parity esta rota y el sector de Higgs del MuNuSSM es mucho mas amplio que en otros modelos, la fenomenologia del sector de Higgs del MuNuSSM en aceleradores de particulas puede presentar novedades interesantes que se pretenden estudiar en esta Tesis. Finalmente, otro objetivo de esta Tesis es el estudio de la extension del grupo gauge del MuNuSSM con un factor U(1) extra. En el desarrollo de este trabajo se han realizado diversos calculos, tanto analiticos como numericos enmarcados en el contexto de la Teoria de la Supersimetria. Para el estudio del vacio del modelo MuNuSSM se han derivado analiticamente las quince ecuaciones de minimizacion del potencial escalar neutro respecto de los modulos y las fases de los VEVs. Para la comprobacion de que los minimos obtenidos eran realmente minimos globales se ha empleado un metodo numerico basado en optimizacion global. En cuanto al estudio del sector de neutrinos, se han deducido analiticamente ecuaciones aproximadas para la matriz de masa efectiva de neutrinos para asi explicar como funciona el mecanismo del seesaw en este modelo. Tambien se ha realizado un estudio numerico de dicho sector para demostrar que el MuNuSSM puede reproducir las cotas experimentales de neutrinos en una amplia region del espacio de parametros. Para ello se ha construido un codigo para computar numericamente la matriz de masa efectiva de neutrinos y extraer las diferencias de masa y angulos de mezcla. En el capitulo sobre el sector de Higgs del MuNuSSM y su deteccion experimental, se han explicado las mezclas del sector de Higgs y se han deducido analiticamente formas de suprimirlas. Se han discutido las novedades que se pueden producir en los decaimientos del sector de Higgs en este modelo. Se han proporcionado puntos benchmark interesantes que pueden servir para distinguir el modelo MuNuSSM de otros modelos supersimetricos en aceleradores. Para realizar este estudio numerico, se ha construido un codigo con diferentes subrutinas ligadas entre si. Se ha utilizado un generador del espectro del MuNuSSM basado en un codigo Fortran que sirve como input para la parte del codigo que computa los decaimientos. Se ha construido un codigo para computar los decaimientos a dos cuerpos de los Higgses basado en subrutinas modificadas para el MuNuSSM del codigo publico NMHdecay. Asimismo, se ha construido un codigo para computar los decaimientos a dos cuerpos de los neutralinos y se ha utilizado el codigo publico Spheno para computar los decaimientos a tres cuerpos de los neutralinos. En cuanto al capitulo de la extension U(1) extra del grupo gauge del MuNuSSM, se han explicado detalladamente las motivaciones para dicha extension. Se han estudiado analiticamente las ecuaciones de cancelacion de anomalias gauge asociadas al U(1) extra para deducir las cargas extra de las particulas del espectro del MuNuSSM y de la materia exotica que es necesario introducir. Tambien se ha estudiado la rotura electrodebil en este contexto y la compatibilidad con las cotas experimentales a la existencia de un nuevo boson gauge Z'. En este trabajo se han estudiado varios aspectos altamente relevantes de la fenomenologia de un modelo supersimetrico propuesto recientemente y que por tanto, no habian sido estudiadas con anterioridad. Se ha demostrado numericamente que el MuNuSSM puede violar espontaneamente CP en el vacio a nivel arbol, una interesante propiedad que presentan muy pocos modelos supersimetricos. Asimismo, se ha completado el estudio del vacio en este modelo. Tambien se ha explicado intuitivamente como funciona el mecanismo del seesaw en este modelo y se han deducido formulas analiticas para la matriz de masa efectiva de neutrinos. Ademas, se ha realizado un completo estudio numerico del sector de neutrinos, incluyendo fases de CP en la matriz MNS demostrando que el MuNuSSM puede reproducir todos los datos experimentales del sector de neutrinos existentes y por tanto, que el mecanismo del seesaw funciona correctamente en este modelo. En este trabajo tambien se ha estudiado por primera vez en detalle el sector de Higgs del modelo y las mezclas que se producen asi como los decaimientos que se pueden producir en este sector. Se han descrito decaimientos en cascada novedosos que pueden considerarse genuinos de este modelo y se han proporcionado puntos benchmark de interes para la deteccion de este modelo en aceleradores. Para ello se ha construido un codigo que permite el computo de los decaimientos en el sector de Higgs. Finalmente, se ha estudiado la extension del grupo gauge del MuNuSSM obteniendo un nuevo modelo que podria llamarse U(1)MuNuSSM y se han analizado diversas cuestiones concernientes a la fenomenologia de este nuevo modelo.