On the origin of masses at the LHC

Abstract

In this thesis we present several studies on the origin of masses at the LHC. First we study the indirect effects of new physics on the couplings of the recently discovered Higgs boson and on the electroweak symmetry breaking (EWSB) sector interactions. In a model independent framework these effects can be parametrized in terms of an effective Lagrangian at the electroweak scale. In the first Chapter we present the effective Lagrangian description based on the linear realization of the electroweak symmetry, where the Higgs particle is assumed to be part of an SU(2)L doublet. We discuss a choice of dimension–six operators guided by the existing data, and we study the phenomenology of the operators. We perform a global analysis to the existing Higgs, triple gauge boson vertex and electroweak precision data, coming from LHC, Tevatron, LEP and low energy observables. Finally we exploit the interesting complementarity between the studied Higgs and triple gauge boson vertex measurements in order to test the linear realization. In the second Chapter we present two alternative Lagrangian descriptions. First, we study the non–linear or chiral effective Lagrangian, where now the Higgs is not part of an SU(2)L doublet. We describe the chiral operators and, while focusing on the phenomenological di.erences with respect to the linear realization, we also perform the first global analysis of the non–linear basis. Second, we present the Lagrangian parametrization commonly used to measure and describe the triple gauge boson vertex WWZ. We perform a collider analysis where we optimize the LHC capability to measure this vertex, obtaining an impressive LHC potential to improve the current sensitivity on anomalous interactions. We focus on their relation with the disentanglement of the Higgs nature. In the second part of the thesis we study the origin of masses at the LHC by the direct exploration of new resonances related to several beyond the Standard Model descriptions. In the third Chapter we study new vector resonances that couple to electroweak gauge boson pairs, which are common resonances on several EWSB extensions of the Standard Model. We analyze the LHC potential to determine the spin of these resonances, and furthermore we use the present available LHC public analyses to constrain the existence of the new neutral vector resonances, Z’, obtaining the strongest exclusion bounds on their existence. In the last Chapter we analyze the LHC potential to access the mechanism related to the origin of the neutrino masses. We study the different characteristics of a model that, while generating the observed pattern of neutrino masses and mixing, can lead to observable TeV signatures. We describe the phenomenology of the model and the new heavy leptons that are introduced, to finally optimize and analyze the LHC potential to observe these new partners, finding again very promising results.

En esta tesis presentamos varios estudios sobre el origen de masas en el LHC. Primero estudiamos los efectos indirectos de nueva física en las interacciones del recientemente descubierto bosón de Higgs y del resto del sector de rotura de la simetría electrodébil. Independientemente del modelo estos efectos se pueden caracterizar por medio de Lagrangianos efectivos en la escala electrodébil. En el primer Capítulo presentamos el Lagrangiano efectivo en la realización lineal de la simetría, donde la partícula de Higgs se introduce como parte de un doblete de SU(2)L. Describimos una elección de la base de operadores de dimensión–seis guiada por los datos existentes y estudiamos la fenomenología de los operadores. Realizamos un análisis global con todos los datos existentes de producción del Higgs, de medidas del vértice triple de bosones de gauge y de medidas de alta precisión electrodébiles, que provienen de LHC, Tevatron, LEP y otras observaciones a bajas energías. Finalmente estudiamos cómo la complementariedad entre las medidas de las interacciones del Higgs y del vértice con tres bosones de gauge sirve para testear la realización lineal. En el segundo Capítulo presentamos dos Lagrangianos alternativos. Primero el Lagrangiano efectivo no–lineal o quiral, donde ahora el bosón de Higgs no es parte de un doblete de SU(2)L. Describimos los operadores quirales, centrándonos en las diferencias fenomenológicas respecto a la expansión lineal y, además, realizamos el primer análisis global en la base quiral. En segundo lugar describimos el Lagrangiano utilizado históricamente para estudiar el vértice WWZ. Realizamos un análisis optimizando el potencial del LHC para medir anomalías en este vértice, obteniendo previsiones que superan la precisión actual. En la segunda parte de la tesis estudiamos el origen de masas en el LHC buscando directamente nuevas resonancias relacionadas con extensiones del modelo estándar. En el tercer Capítulo analizamos resonancias vectoriales que interaccionan con pares de bosones de gauge electrodébiles, estados comunes en varias extensiones teóricas que explican la rotura de la simetría electrodébil. Estudiamos primero el potencial del LHC para determinar el espín de estas nuevas partículas y después utilizamos los datos públicos disponibles del LHC para constreñir la existencia de nuevas resonancias vectoriales neutras, Z’, obteniendo los límites más fuertes sobre su existencia. En el último capítulo analizamos el potencial que tiene el LHC para acceder al mecanismo relacionado con el origen de las masas de los neutrinos. Estudiamos las características de un modelo que consigue explicar el patrón de masas y mezclas observado para los neutrinos, dando lugar a la vez a nuevas señales en la escala del TeV. Describimos la fenomenología del modelo y de los nuevos leptones pesados que se introducen, para .nalmente analizar la capacidad que tiene el LHC para observar estos estados, dando lugar, otra vez, a resultados muy prometedores.