Compositeness from Holography and beyond

Abstract

La recerca dels components fonamentals de la natura és l’objectiu primordial de la física de partícules. Des del descobriment de l’àtom, estructures més i més fonamentals s’han descobert, les quals componen la matèria. El Model Estàndar de la física de partícules assumeix l’existència d’una sèrie de partícules considerades fonamentals, incloent el bosó de Higgs. No obstant, hi ha fortes motivacions per creure que almenys algunes d’aquestes partícules són compostes i, de fet, la seva naturalesa es podria revelar a l’LHC. El principal problema de les teories que descriuen partícules compostes és el fet de que, en certs regims, els constituents d’aquestes estan fortament acoblats. El tractament de teories fortament acoblades és un dels reptes més importants en la física de partícules actual ja que aquest tipus de teories no poden ésser tractades en el marc de la Teoria Quàntica de Camps, que és l’eina principal en la física teòrica d’altes energies. L’estudi de models en dimensions extra ha aportat una visió més profunda d’aquest problema, ja que aquests models es poden entendre com teories ‘hologràfiques’ que exhibeixen una dinàmica d’acoblament fort. El propòsit d’aquesta tesis és l’estudi de diferents sistemes de partícules compostes. Ens centrem en el desenvolupament de models en dimensions extra que es poden considerar com anàlegs a sistemes fortament acoblats presents a la natura, aquests són la Cromodinàmica Quàntica i els sistemes superconductors. A més també analitzem el cas de la naturalesa composta dels quarks de manera genèrica a través de l’estudi dels efectes de models explícits a energies inferiors a l’escala de nova física.

The search for compositeness is a paramount goal in particle physics. Since the discovery of the atom, more and more fundamental structures have been discovered in nature from which matter is compound. The Standard Model of particle physics assumes the existence of a set of fundamental particles, including the Higgs boson, that possess no structure. Nevertheless there are strong motivations to believe that at least some of them could be composite and indeed its nature could be unraveled at the LHC. The main difficulty of theories of composite particles is that, in certain regimes, their constituents are strongly coupled. Dealing with strongly coupled theories is a major puzzle in theoretical physics since they can not be understood in the usual framework of Quantum Field Theories, which is the main tool available in theoretical high energy physics. Fortunately, the study of extra dimensional theories has allowed us to gain deeper insights on this issue since these models can be viewed as ‘holographic’ theories exhibiting strong dynamics. The purpose of this thesis is the study of different composite systems which exhibit strong dynamics. We focus on the development and study of extra dimensional models which can be interpreted as analogs of some strongly interacting systems present in nature, these are Quantum Chromodynamics and superconducting systems. Moreover we also analyze the case of quark compositeness in a model independent way by studying the effects of explicit models at energies below the cut-off scale of New Physics.