FlavBit: a GAMBIT module for computing flavour observables and likelihoods

Flavour physics observables are excellent probes of new physics up to very high energy scales. Here we present FlavBit, the dedicated flavour physics module of the global-fitting package GAMBIT. FlavBit includes custom implementations of various likelihood routines for a wide range of flavour observables, including detailed uncertainties and correlations associated with LHCb measurements of rare, leptonic and semileptonic decays of B and D mesons, kaons and pions. It provides a generalised interface to external theory codes such as SuperIso, allowing users to calculate flavour observables in and beyond the Standard Model, and then test them in detail against all relevant experimental data. We describe FlavBit and its constituent physics in some detail, then give examples from supersymmetry and effective field theory illustrating how it can be used both as a standalone library for flavour physics, and within GAMBIT

Summary of the CKM 2010 Working Group on Rare Decays

Rare decays were essential in the discovery of the CKM mechanism of flavour and CP violation and are highly sensitive probes of physics beyond the Standard Model. In this summary the current status and future prospects of experimental measurements and the Standard Model theory predictions of various rare B, D and K decay observables are discussed. The specific new physics sensitivities of each mode are also briefly reviewed

Interplay of the charged Higgs effects in RD(∗)R_{D^{(\ast)}}, b→sℓ+ℓ−b\to s \ell^+\ell^- and WW-mass

Current data on semileptonic charged- and neutral-current $B$ decays show deviations from the predictions of the Standard Model. It is well known that a charged Higgs boson, belonging to the two-Higgs doublet model without $Z_2$ symmetry, offers one of the simplest solution to the charged-current $B$ decays. We show that this solution naturally induces a negative shift of $\mathcal{O}(1)$ in the Wilson coefficient ($C_{9\ell}$) of operator $(\bar s_L\gamma_\mu b_L)(\bar \ell\gamma^\mu \ell)$, potentially resolving the tension in neutral-current $B$ decays as well. Interestingly, the lepton universality ratios in $b\to s \ell^+\ell^-$ decays, in tune with the recent LHCb result, remain SM-like. Precision constraints from neutral $B$ and $K$ meson mixing, decays $B_c\to \tau\bar\nu$, $B\to X_s\gamma$, and leptonic decays of $\tau$ and $Z$ can be satisfied. Furthermore, a positive shift in $W$-boson mass, nicely in agreement with the CDF measurement, is also possible, requiring the neutral scalars to be heavier than the charged Higgs but within the sub-TeV region.Comment: 11 pages, 2 captioned figures, extended discussion in sec III.A and IV, and added an appendix; matches published versio

Search for Type-III SeeSaw heavy leptons in leptonic final states using proton-proton collisions at √s = 13 TeV with the ATLAS detector

This thesis analyzes multi-leptonic final states to perform a search for the pair production of heavy leptons as predicted by the Type-III SeeSaw mechanism. The analysis uses proton-proton collision data at a centre-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to 139 fb^{-1} of integrated luminosity recorded by the ATLAS detector during the full Run 2 period of the Large Hadron Collider (2015-2018). The search is focused on final states with three and four light leptons (electrons and muons) and large energy produced by the collision coming from all the possible decays of the heavy leptons via intermediate electroweak bosons. As no significant excesses with respect to the Standard Model predictions are observed, upper and lower limits on the production cross-section and on the heavy lepton masses are set. The observed lower mass limit is 870 GeV at 95% of confidence level considering both three- and four-lepton channels. In addition, this result is combined for the first time with the ones already published by the ATLAS Collaboration in the two leptons plus two jets final state. In this case, the observed lower mass limit combining two, three and four lepton channels is 910 GeV at the 95% of confidence level.Questa tesi analizza gli stati finali multi-leptonici per la ricerca della produzione di coppie di leptoni pesanti predetti dal meccanismo SeeSaw di Tipo-III. L'analisi usa i dati prodotti dalle collisioni protone-protone ad una energia del centro di massa di 13 TeV, corrispondenti ad una luminosità integrata di 139 fb^{-1} raccolti dall'esperimento ATLAS durante l'intero periodo Run 2 del Large Hadron Collider (2015-2018). La ricerca è focalizzata su stati finali con tre e quattro leptoni leggeri (elettroni e muoni) e con un'elevata energia rilasciata dalla collisione proveniente da tutti i possibili decadimenti dei leptoni pesanti attraverso bosoni elettrodeboli. Poiché non sono stati osservati eccessi di segnale rispetto alle predizioni del Modello Standard, sono stati posti dei limiti superiori e inferiori sulla sezione d'urto di produzione e sulla massa dei leptoni pesanti. Il limite inferiore di massa osservato è di 870 GeV al 95% di livello di confidenza considerando entrambi i canali con tre e quattro leptoni. In aggiunta, questo risultato è stato combinato per la prima volta con quello già pubblicato dalla collaborazione ATLAS nello stato finale con due leptoni e due jet. In questo caso, il limite inferiore di massa ottenuto combinando i canali con due, tre e quattro leptoni è di 910 GeV al 95% di livello di confidenz

Flavor Physics and Charged Particle

We have new charged particles in many scenarios of physics beyond the Standard Model where these particles are sometimes motivated to explain experimental anomalies. Furthermore, such new charged particles are important target at the collider experiments such as the Large Hadron Collider in searching for a signature of new physics. If these new particles interact with known particles in the Standard Model, they would induce interesting phenomenology of flavor physics in both lepton and quark sectors. Then, we review some candidate of new charged particles and its applications to flavor physics. In particular, vector-like lepton and leptoquarks are discussed for lepton flavor physics and B-meson physics

A Glance into Flavour Physics with Effective Field Theories and Machine Learning

En los últimos años se ha dedicado especial atención a investigar algunas desviaciones con respecto a las predicciones del Modelo Estándar de la física de partículas en el contexto de la física del sabor. El objetivo de esta tesis es el estudio de estas desviaciones, haciendo especial énfasis en las desviaciones que involucran los mesones B.El interés en las desviaciones con respecto a las predicciones del Modelo Estándar está fundamentado tanto en aspectos téoricos aún sin esclarecer como en medidas experimentales recientes que muestran tales desviaciones. Desde el punto de vista teórico, el Modelo Estándar no explica por qué la estructura del sabor es tal y como la observamos, con tres generaciones de partículas constituyentes de la materia que difieren entre sí solo en sus masas. Desde el punto de vista experimental, el sabor es un excepcional coto de caza de indicios de nueva física, ya que muchos procesos están suprimidos en el Modelo Estándar y la introducción de nuevas interacciones podría dar lugar a señales experimentales claras. En este respecto, es importante notar la proliferación en los últimos años de mediciones experimentales precisas en el ámbito del sabor en tensión con elModelo Estándar. En esta tesis nos centramos en el estudio de dos clases de estos observables que muestran anomalías en la física de sabor: las desintegraciones semileptónicas de mesones B en mesones K o K∗ y un par de leptones cargados, mediadas por corrientes neutras con cambio de sabor y caracterizadas por el cociente RK(∗) entre las razones de desintegración muónica y electrónica; y las desintegraciones semileptónicas de mesones B en mesones D o D∗, un leptón cargado y un neutrino, mediadas por corrientes cargadas con cambio de sabor y caracterizadas por el cociente RD(∗) entre las razones de desintegración tauónica y en fermiones ligeros.La existencia de estas anomalías ha motivado numerosas propuestas de modelos de Nueva Física como candidatos para explicar tales desviaciones. Un análisis independiente de modelo requiere el uso de las Teorías de Campos Efectivas. En estas teorías se integran los campos cuánticos más pesados, que corresponden únicamente a las líneas internas de los diagramas de Feynman, dejando un conjunto de interacciones no-renormalizables que incluyen solo los campos ligeros y sus simetrías. En esta tesis hemosusado este marco teórico de las Teorías de Campos Efectivas, y hemos obtenido límites a las contribuciones de Nueva Física en los coeficientes de Wilson del Lagrangiano efectivo partiendo de resultados experimentales.Las correcciones cuánticas contenidas en el Grupo de Renormalización tienen el efecto de mezclar las interacciones no-renormalizables. Como consecuencia, las desviaciones respecto del Modelo Estándar introducidas a través de las Teorías de Campos Efectivas suelen propagarse también a observables físicos diferentes de los que estamos estudiando.La solución a este problema es determinar los coeficientes de la Teoría de Campos Efectiva mediante un ajuste estadístico global que incluya observables de todos los sectores afectados. El gran número de observables que aparecen en estos análisis hace necesario el uso de cálculos numéricos, y en los casos más extremos es necesario utilizar algunas herramientas de “Machine Learning”, como los árboles de regresión y los valores SHAP (del inglés SHAPley Additive exPlanation). En esta tesis utilizamos por primera vez en el marco de la física de sabor un análisis de Montecarlo para extraer los intervalos de confianza y las correlaciones entre observables, y demostramos que estas herramientas constituyen una estrategia útil y adecuada en este tipo de análisis.Aunque la mayor parte de esta tesis se desarrolla dentro del marco teórico de las Teorías de Campos Efectivas, también hemos extendido nuestro análisis a modelos específicos de Nueva Física. Concretamente, a modelos de leptoquarks, partículas hipotéticas que podrían transformar quarks en leptones o viceversa, y a bosones W′ y Z′, bosones gauge hipotéticos que podrían exhibir acoplamientos no universales a cada fermión. Además, hemos hecho un análisis en más profundidad de un modelo de partículas similares a los Axiones –ALPs, del inglés Axion Like Particles–, partículas pseudoescalares que podrían aparecer como pseudo-bosones de Nambu-Goldstone de nuevas simetríasU(1) globales. A diferencia de los enfoques tradicionales, hemos examinado el caso en el que los ALPs tienen una estructura de sabor no trivial en sus acoplamientos a quarks y leptones.Esta tesis está organizada como sigue:• El Capítulo 1 está destinado a una introducción general al tema de la tesis.• En el Capítulo 2 se expone una vista general del Modelo Estándar, con un especial énfasis en los aspectos relacionados con el sabor de las distintas interacciones y en los orígenes de la supresión que afectan a los procesos con cambio de sabor. A continuación, se introducen los observables de sabor que serán usados a lo largo de la tesis. Finalmente se resumen los experimentos que exploran la física de los mesones B y los resultados que han obtenido.• El Capítulo 3 se centra en el enfoque independiente de modelo ofrecido por las Teorías de Campos Efectivas. Primero presentamos la visión tradicional (de arriba a abajo), en la que se empieza con una teoría formulada a una alta escala de energía y se integran explícitamente las partículas pesadas. Continuamos presentando la visión opuesta (de abajo a arriba), en la que se empieza con una teoría a baja energía que se extiende añadiendo todos los operadores efectivos compatibles. Posteriormente, se explican los pormenores necesarios para tratar con las Teorías de Campos Efectivas: el procedimiento de “matching” entre dos teorías escala de energía, y el cambio de escala usando las ecuaciones del Grupo de Renormalización.Finalmente se presentan las dos teorías en que nos centramos en esta tesis: SMEFT –del inglés Standard Model Effective Field Theory– que contiene todas las partículas delModelo Estándar, yWET –del inglésWeak Effective Theory– donde se integran el quark top y los bosonesW, Z y Higgs.• En el Capítulo 4 se introducen algunos de los modelos de nueva física: leptoquarks, nuevos bosones gauge pesados y partículas similares a los axiones. Finalmente discutimos la hipótesis de la Violación Mínima de Sabor, que propone una estructura general para cualquier propuesta de Nueva Física que afecte a la física del sabor.• El Capítulo 5 contiene nuestra primera incursión en el análisis de Nueva Física que viole la Universalidad del Sabor Leptónico mediante el uso de ajustes estadísticos en el marco de las Teorías de Campos Efectivas. Trabajamos en la teoría WET con coeficientes complejos, y consideramos relaciones entre operadores motivadas por modelos de leptoquarks y Z′. Este primer ajuste estadístico solamente incluye un número limitado de observables relacionados con desintegraciones b → sμ+μ− y ΔMs . La inclusión de coeficientes de Wilson complejos en el análisis proporciona un ajuste global ligeramente mejorado, no siendo tan favorable la predicción en el caso de ΔMs .• En el Capítulo 6, trabajamos en el marco de la teoría SMEFT, y consideramos varios escenarios de operadores efectivos que incluyen dos dobletes de SU(2)L de quarks y leptones levógiros. En este análisis proponemos diferentes escenarios en los cuales las contribuciones de Nueva Física a los coeficientes de Wilson están presentes en uno, dos o tres coeficientes simultáneamente. Para este ajuste estadístico global consideramos una gran variedad de observables físicos, incluyendo tests de precisión electrodébiles y nucleares. Analizamos el escenario más descriptivo usando una aproximación Hessiana. Los resultados muestran que un escenario en el que Nueva Física modifique tres coeficientes de Wilson simultáneamente es el escenario preferido para explicar las tensiones entre las predicciones delModelo Estándar y las anomalías en la física de mesones B. Un escenario específico, más restringido, es capaz de proporcionar un ajuste similar con un menor número de parámetros libres. Finalmente, discutimos el impacto que tendrían en nuestros resultados las futuras mediciones de tests electrodébiles de precisión en los colisionadores lineales.definidas en la misma escala de energía, y el cambio de escala usando las ecuaciones del Grupo de Renormalización.Finalmente se presentan las dos teorías en que nos centramos en esta tesis: SMEFT –del inglés Standard Model Effective Field Theory– que contiene todas las partículas delModelo Estándar, yWET –del inglésWeak Effective Theory– donde se integran el quark top y los bosonesW, Z y Higgs.• En el Capítulo 4 se introducen algunos de los modelos de nueva física: leptoquarks, nuevos bosones gauge pesados y partículas similares a los axiones. Finalmente discutimos la hipótesis de la Violación Mínima de Sabor, que propone una estructura general para cualquier propuesta de Nueva Física que afecte a la física del sabor.• El Capítulo 5 contiene nuestra primera incursión en el análisis de Nueva Física que viole la Universalidad del Sabor Leptónico mediante el uso de ajustes estadísticos en el marco de las Teorías de Campos Efectivas. Trabajamos en la teoría WET con coeficientes complejos, y consideramos relaciones entre operadores motivadas por modelos de leptoquarks y Z′. Este primer ajuste estadístico solamente incluye un número limitado de observables relacionados con desintegraciones b → sμ+μ− y ΔMs . La inclusión de coeficientes de Wilson complejos en el análisis proporciona un ajuste global ligeramente mejorado, no siendo tan favorable la predicción en el caso de ΔMs .• En el Capítulo 6, trabajamos en el marco de la teoría SMEFT, y consideramos varios escenarios de operadores efectivos que incluyen dos dobletes de SU(2)L de quarks y leptones levógiros. En este análisis proponemos diferentes escenarios en los cuales las contribuciones de Nueva Física a los coeficientes de Wilson están presentes en uno, dos o tres coeficientes simultáneamente. Para este ajuste estadístico global consideramos una gran variedad de observables físicos, incluyendo tests de precisión electrodébiles y nucleares. Analizamos el escenario más descriptivo usando una aproximación Hessiana. Los resultados muestran que un escenario en el que Nueva Física modifique tres coeficientes de Wilson simultáneamente es el escenario preferido para explicar las tensiones entre las predicciones del Modelo Estándar y las anomalías en la física de mesones B. Un escenario específico, más restringido, es capaz de proporcionar un ajuste similar con un menor número de parámetros libres. Finalmente, discutimos el impacto que tendrían en nuestros resultados las futuras mediciones de tests electrodébiles de precisión en los colisionadores lineales.• En elCapítulo 7, consideramos una configuración diferente de los operadores SMEFT que contienen dos quarks y dos leptones. La motivación es considerar una nueva interacción que afecte solamente a las partículas de la tercera generación, antes de calcular la rotación a la base de masa. Usamos el mismo conjunto de observables en los ajustes estadísticos que en el capítulo previo. En este caso encontramos que la aproximación Hessiana no es satisfactoria, y en consecuencia necesitamos usar herramientas de “Machine Learning”. Según nuestros resultados, las anomalías en los cocientes RK(∗) necesitarían de contribuciones de Nueva Física a los operadores efectivos tanto a “nivel árbol” como a “nivel de un bucle”, mientras que las anomalías en los cocientes RD(∗) precisarían solo de las correcciones a “nivel árbol”, lo cual se manifiesta en una correlación entre las predicciones para RD(∗) y para las desintegraciones semileptónicas de un mesón B en un kaón y un par de neutrinos.• En el Capítulo 8, nos centramos en las partículas similares a axiones, ALPs. Estudiamos las desintegraciones leptónicas de mesones en un leptón y un neutrino en busca de indicios de ALPs presentes en las razones de desintegración o en las distribuciones diferenciales. Consideramos una estructura de sabor genérica para los acoplamientos a quarks y leptones, y comparamos nuestros resultados con resultados previos en la literatura. Obtenemos los límites a los acoplamientos de ALPs a leptones más restrictivos publicados hasta el momento.• Finalmente, en el Capítulo 9 se resumen los principales resultados de la tesis.La tesis incluye además varios apéndices: En el Apéndice A están incluidas las expresiones para los observables diferenciales de las desintegraciones de mesones B en la teoríaWET.En el Apéndice B se comentan los códigos informáticos empleados para calcular nuestros resultados, tanto los códigos públicos como los escritos ad-hoc para esta tesis.El Apéndice C contiene las predicciones de los observables en los Capítulos 6 y 7.In the last years there has been a growing interest in the study of deviations from the predictions of the Standard Model of particle physics in the context of Flavour Physics. This dissertation is devoted to the study of these deviations, with special focus on those involving B mesons. The interest on deviations from the Standard Model predictions is twofold: theoretical questions not yet solved and recent experimental measurements showing this kind of deviations. On the theoretical side, the Standard Model does not attemp to explain why the flavour structure is what we observe, with three generations of matter particles which only differ on their masses. On the experimental side, flavour is a remarkable hunting ground for hints of new physics, since many processes are affected by suppressions that could be lifted by new interactions, leading to clear experimental signatures. In this regard, the most important development is the number of precise flavour experimental measurements in tension with the Standard Model in the last few years. In our research we study two classes of these experimentally-interesting observables: the semileptonic decays of B mesons into K or K* mesons and a pair of charged leptons through flavour-changing neutral currents, characterized by the RK(*) ratios between the muonic and the electronic branching ratios; and the semileptonic decays of B mesons into D or D* mesons, a charged lepton and a neutrino through flavour-changing charged currents, characterized by the RD(*) ratios between the tauonic and the light branching ratios. These anomalous experimental results have spurred numerous proposals for physics beyond the Standard Model. Effective Field Theories offer a model-independent way to analyze those New Physics effects. The idea is to integrate out the heavy fields appearing only in the internal lines of the Feynman diagrams, leaving a set of non-renormalizable interactions including just the light fields and their symmetries. We have used in this thesis the framework of Effective Field Theories, being able to obtain constraints on New Physics contributions to the Wilson coefficients of the effective Lagrangian from the experimental results. Quantum corrections contained in the Renormalization Group have the effect of mixing the non-renormalizable interactions. As a consequence, the deviations from the Standard Model introduced through Effective Field Theories tend to propagate also to physical observables different from the ones we are interested in. The solution is to determine the coefficients entering the Effective Field Theory through means of global fits including observables from all affected sectors. The sheer number of observables involved makes mandatory the use of numerical calculations, and in the most extreme cases, even using Machine Learning tools such as regression trees and SHAP (SHAPley Additive exPlanation) values. We use for the first time in the flavour context a Montecarlo analysis to extract the confidence intervals and correlations between observables, showing that it constitutes a suitable strategy to use in this kind of analysis. Although most of the dissertation deals with the framework of Effective Field Theories, we have also extrapolated our results to specific models of New Physics; in particular to leptoquarks, hypothetical particles that could turn quarks into leptons or vice-versa, and to W' and Z' bosons, hypothetical gauge mediators that could exhibit non-universal couplings to each fermion. We have also performed a more in-deep analysis of a model for Axion-Like Particles, pseudoscalars that could appear as pseudo-Nambu-Goldstone bosons for new global U(1) symmetries. Unlike the traditional approaches, we have examined the case where the Axion-Like Particles have a non-trivial flavour structure in their couplings to quarks and leptons. <br /

Z′ models for the LHCb and g-2 muon anomalies

We revisit a class of Z' explanations of the anomalies found by the LHCb collaboration in $B$ decays, and show that the scenario is tightly constrained by a combination of constraints: (i) LHC searches for di-muon resonances, (ii) pertubativity of the Z' couplings; (iii) the $B_s$ mass difference, and (iv) and electro-weak precision data. Solutions are found by suppressing the Z' coupling to electrons and to light quarks and/or by allowing for a Z' decay width into dark matter. We also present a simplified framework where a TeV-scale Z' gauge boson that couples to standard leptons as well as to new heavy vector-like leptons, can simultaneously accommodate the LHCb anomalies and the muon g-2 anomaly

Probing the non-standard neutrino interactions using quantum statistics

Using the well established principles of Lorentz invariance, CP and CPT symmetry, and quantum statistics we do a model-independent study of effects of possible non-standard couplings of (Dirac and Majorana) neutrinos. The study is sensitive to the different quantum statistical properties of the Dirac and Majorana neutrinos which, contrary to neutrino-mediated processes of lepton number violation, could lead to observable effects not suppressed by the small ratios of neutrino and heavier particle masses. For processes with a neutrino-antineutrino pair of the same flavor in the final state, we formulate the ``Dirac Majorana confusion theorem (DMCT)'' showing why it is normally very difficult to observe the different behaviour of both kinds of neutrinos in experiments if they have only the standard model (SM)-like left-handed vector couplings to gauge bosons. We discuss deviations from the confusion theorem in the presence of non-standard neutrino interactions, allowing to discover or constrain such novel couplings. We illustrate the general results with two chosen examples of neutral current processes, $Z \to \nu \, \overline{\nu}$ and $\mathcal{P}_i \to \mathcal{P}_f \, \nu \, \overline{\nu}$ (with $\mathcal{P}_{i,f}$ denoting pseudoscalar mesons, such as $B,K,\pi$). Our analysis shows that using 3-body decays the presence of non-standard interactions can not only be constrained but one can also distinguish between Dirac and Majorana neutrino possibilities.Comment: 15 pages, 6 figures, for the published version visit the DO