Implication of Effective Field Theories in Particle Physics Phenomenology - Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Implication of Effective Field Theories in Particle Physics Phenomenology

Implication des théories effectives des champs dans la phénoménologie de la physique des particules

Résumé

Our present knowledge of elementary particles and their interactions is described in the so-called Standard Model (SM) of particle physics. The discovery of a scalar boson with a mass of 125 GeV, corresponding to the Higgs boson in the SM, is the most remarkable confirmation of the predictions of the SM. In recent years, the direct discovery of new physics states has become less frequent, and there is no sign of new physics beyond the SM so far. Therefore, new physics states might be on a very high energy scale that current experiments cannot achieve. However, it is possible that new BSM states can manifest themselves via tree-level exchange or loop-level effects and then indirectly affect SM precision measurements at the low-energy scale. Recently, many indirect searches for the hints of new physics states have been performed and received much attention. Following this aspect, Effective Field Theories (EFT) raise as a robust theoretical framework that allows for hunting for new physics effects in a model-independent way (bottom-up approach) or connecting the UV complete model with the theories at low energies and their precision measurements (top-down approach). In this thesis, we have developed functional methods for EFT top-down approach and applied our techniques to study axion physics, QFT anomalies and some recent flavour discrepancies in the SM.The first part of this thesis is devoted to studying the path integral formulation of one-loop matching calculations. This technique provided an elegant way to match a UV model onto an EFT Lagrangian resulting from integrating out a heavy degree of freedom. Such matching computations are the most crucial point in the EFT top-down paradigm. Ultimately, matching by the functional method will generate universal structures, which makes repeated evaluation of the loop integrals redundant. This set of universal structures can be pre-computed once and for all, forming the so-called Universal One-Loop Effective Action (UOLEA). Starting from the UOLEA, one-loop matching calculations are reduced to an algebraic manipulation of matrix traces. In this part, we studied all universal structures arising from integrating out heavy fermions (Dirac or Majorana) with scalar, pseudo-scalar, vector, and axial-vector couplings. The final results provided an analytic expression for all coefficients of the universal structures. They served as a reference to cross-check if one would like to decouple heavy chiral fermions.The second part of this thesis is devoted to studying QFT anomalies and axion physics. First, we utilised the power of the functional method to re-compute the well-known QFT anomalies (e.g. chiral anomaly, Weyl anomaly, axial gravitational anomaly). Second, we built the Effective Field Theories in which a chiral fermion, charged under both gauge and global symmetries, is integrated out. The challenge of this exercise is that the derivative couplings of the Goldstone bosons to the fermions will lead to severe divergences and ambiguities when building the EFT. We then precisely solve these difficulties within the path integral formalism by explicitly evaluating the anomaly-related operators and adapting the anomalous Ward identities to the EFT context. Our results provide a systematic and consistent methodology to build EFTs involving anomalous symmetries, as required for axion searches.The third part of this thesis briefly studied flavour anomalies (e.g. B-anomalies, one-loop muon anomaly) within the EFT framework. We performed the one-loop matching of Leptoquark models onto the EFT Lagrangian. Our results cross-check previous literature calculations and provide a reference for further computations. We performed one-loop benchmarks to show that if the muon anomalies have a common origin and do not arise at the tree-level, they will be discovered or excluded in the near future experiments.
Ces dernières années, la découverte directe d'états de nouvelle physique est devenue moins fréquente, et il n'y a aucun signe de nouvelle physique au-delà du MS jusqu'à présent. Récemment, de nombreuses recherches indirectes d'états de nouvelle physique ont été effectuées et ont fait l'objet d'une grande attention. Dans cette optique, les théories effectives des champs (TEC) se présentent comme un cadre théorique robuste qui permet de rechercher les effets de la nouvelle physique d'une manière indépendante du modèle (approche ascendante) ou de connecter le modèle complet UV avec les théories à basse énergie et leurs mesures de précision (approche descendante). Dans cette thèse, nous avons développé des méthodes fonctionnelles pour l'approche descendante de la TEC et nous avons appliqué nos techniques pour étudier la physique de l'axion, les anomalies de la TQC et certaines divergences de saveurs récentes dans le MS.La première partie de cette thèse est consacrée à l'étude de la formulation de l'intégrale de chemin pour le "matching" à une boucle. Cette technique fournit une manière élégante de faire correspondre un modèle UV à un Lagrangien TEC résultant de l'intégration d'un degré de liberté lourd. Ces calculs de "matching" sont le point le plus crucial du paradigme descendant de la TEC. En fin de compte, le "matching" par la méthode fonctionnelle générera des structures universelles, ce qui rendra superflue l'évaluation répétée des intégrales de boucle. Cet ensemble de structures universelles peut être pré-calculé une fois pour toutes, formant ce qu'on appelle l'action effective universelle à une boucle. À partir de l'action universelle à une boucle, les calculs de "matching" à une boucle sont réduits à une manipulation algébrique des traces de matrices. Dans cette partie, nous avons étudié toutes les structures universelles découlant de l'intégration de fermions lourds (Dirac ou Majorana) avec des couplages scalaires, pseudo-scalaires, vectoriels et axiaux-vecteurs. Les résultats finaux ont fourni une expression analytique pour tous les coefficients des structures universelles. Ils ont servi de référence pour contrôler les résultats si l'on souhaite découpler des fermions chiraux lourds.La deuxième partie de cette thèse est consacrée à l'étude des anomalies TQC et de la physique de l'axion. Premièrement, nous avons utilisé la puissance de la méthode fonctionnelle pour recalculer les anomalies TQC bien connues (par exemple l'anomalie chirale, l'anomalie de Weyl, l'anomalie gravitationnelle axiale). Deuxièmement, nous avons construit les théories de champ effectives dans lesquelles un fermion chiral, chargé sous les symétries de jauge et globale, est intégré. Le défi de cet exercice est que les couplages dérivés des bosons de Goldstone aux fermions conduisent à de sévères divergences et ambiguïtés lors de la construction de la TEC. Nous résolvons alors précisément ces difficultés dans le formalisme de l'intégrale du chemin en évaluant explicitement les opérateurs liés à l'anomalie et en adaptant les identités de Ward anomales au contexte de l'TEC. Nos résultats fournissent une méthodologie systématique et cohérente pour construire des TECs impliquant des symétries anomales, comme requis pour les recherches d'axions.La troisième partie de cette thèse a étudié brièvement les anomalies de saveurs (par exemple les anomalies B, l'anomalie muon à une boucle) dans le cadre de l'TEC. Nous avons effectué le "matching" à une boucle des modèles de Leptoquark sur le Lagrangien de la TEC. Nos résultats vérifient les calculs de la littérature précédente et fournissent une référence pour les calculs ultérieurs. Nous avons effectué des tests de référence à une boucle pour montrer que si les anomalies du muon ont une origine commune et ne surviennent pas au niveau classique, elles seront découvertes ou exclues dans les expériences à venir.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03891251 , version 1 (09-12-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03891251 , version 1

Citer

Pham Ngoc Hoa Vuong. Implication of Effective Field Theories in Particle Physics Phenomenology. Physics [physics]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. English. ⟨NNT : 2022GRALY052⟩. ⟨tel-03891251⟩
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