Testing No-Scale F-SU(5): A 125 GeV Higgs Boson and SUSY at the 8 TeV LHC

We celebrate the recent Higgs discovery announcement with our experimental colleagues at the LHC and look forward to the implications that this success will bring to bear upon the continuing search for supersymmetry (SUSY). The model framework named No-Scale F-SU(5) possesses the rather unique capacity to provide a light CP-even Higgs boson mass in the favored 124-126 GeV window while simultaneously retaining a testably light SUSY spectrum that is consistent with emerging low-statistics excesses beyond the Standard Model expectation in the ATLAS and CMS multijet data. In this letter we review the distinctive F-SU(5) mechanism that forges the physical 125 GeV Higgs boson and make a specific assessment of the ATLAS multijet SUSY search observables that may be expected for a 15/fb delivery of 8 TeV data in this model context. Based on our Monte Carlo study, we anticipate that the enticing hints of a SUSY signal observed in the 7 TeV data could be amplified in the 8 TeV results. Moreover, if the existing signal is indeed legitimate, we project that the rendered gains in significance will be sufficient to conclusively rule out an alternative attribution to statistical fluctuation at that juncture.Comment: Physics Letters B Version, 7 Pages, 1 Figur

The Golden Strip of Correlated Top Quark, Gaugino, and Vectorlike Mass In No-Scale, No-Parameter F-SU(5)

We systematically establish the hyper-surface within the tan(beta), top quark mass m_t, universal gaugino mass M_1/2, and vectorlike mass M_V parameter volume which is compatible with the application of the No-Scale Supergravity boundary conditions, particularly the vanishing of the Higgs bilinear soft term B_mu, near to the Planck mass at the point M_F of ultimate F-lipped SU(5) unification. M_F is elevated from the penultimate partial unification near the traditional GUT scale at a mass M_32 by the inclusion of extra F-theory derived heavy vectorlike multiplets. We demonstrate that simultaneous adherence to all current experimental constraints, most importantly contributions to the muon anomalous magnetic moment (g-2)_mu, the branching ratio limit on (b \to s gamma), and the 7-year WMAP relic density measurement, dramatically reduces the allowed solutions to a highly non-trivial "golden strip" with tan(beta) \sim 15, m_t = 173.0-174.4 GeV, M_1/2 = 455-481 GeV, and M_V = 691-1020 GeV, effectively eliminating all extraneously tunable model parameters. We emphasize that the consonance of the theoretically viable m_t range with the experimentally established value is an independently correlated "postdiction". The predicted range of M_V is testable at the Large Hadron Collider (LHC). The partial lifetime for proton decay in the leading (e+|mu+) pi0 channels falls around 4.6 X 10^34 Y, testable at the future DUSEL and Hyper-Kamiokande facilities.Comment: V2, As accepted for publication in Physics Letters B; 7 pages, 3 figure

F-Theory Grand Unification at the Colliders

We predict the exact gaugino mass relation near the electroweak scale at one loop for gravity mediated supersymmetry breaking in F-theory SU(5) and SO(10) models with U(1)_Y and U(1)_{B-L} fluxes, respectively. The gaugino mass relation introduced here differs from the typical gaugino mass relations studied thus far, and in general, should be preserved quite well at low energy. Therefore, these F-Theory models can be tested at the Large Hadron Collider and future International Linear Collider. We present two typical scenarios that satisfy all the latest experimental constraints and are consistent with the CDMS II experiment. In particular, the gaugino mass relation is indeed satisfied at two-loop level with only a very small deviation around the electroweak scale.Comment: RevTex4, 6 pages, 6 figure

Natural Predictions for the Higgs Boson Mass and Supersymmetric Contributions to Rare Processes

In the context of No-Scale F-SU(5), a model defined by the convergence of the F-lipped SU(5) Grand Unified Theory, two pairs of hypothetical TeV scale vector-like supersymmetric multiplets with origins in F-theory, and the dynamically established boundary conditions of No-Scale Supergravity, we predict that the lightest CP-even Higgs boson mass lies within the range of 119.0 GeV to 123.5 GeV, exclusive of the vector-like particle contribution to the mass. With reports by the CMS, ATLAS, CDF, and D0 Collaborations detailing enticing statistical excesses in the vicinity of 120 GeV in searches for the Standard Model Higgs boson, all signs point to an imminent discovery. While basic supersymmetric constructions such as mSUGRA and the CMSSM have already suffered overwhelming reductions in viable parameterization during the LHC's initial year of operation, about 80% of the original No-Scale F-SU(5) model space remains viable after analysis of the first 1.1 fb^{-1} of integrated luminosity. This model is moreover capable of handily explaining the small excesses recently reported in the CMS multijet supersymmetry search, and also features a highly favorable "golden" subspace which may simultaneously account for the key rare process limits on the muon anomalous magnetic moment (g - 2) and the branching ratio of the flavor-changing neutral current decay b to s\gamma. In addition, the isolated mass parameter responsible for the global particle mass normalization, the gaugino boundary mass M_{1/2}, is dynamically determined at a secondary local minimization of the minimum of the Higgs potential V_{min}, in a manner which is deeply consistent with all precision measurements at the physical electroweak scale.Comment: Physics Letters B Version, 10 pages, 2 figures, 2 table

The No-Scale Multiverse at the LHC

We present a contemporary perspective on the String Landscape and the Multiverse of plausible string, M- and F-theory vacua, seeking to demonstrate a non-zero probability for the existence of a universe matching our own observed physics within the solution ensemble, arguing for the importance of No-Scale Supergravity as an essential common underpinning. Our context is a highly detailed phenomenological probe of No-Scale F-SU(5), a model representing the intersection of the F-lipped SU(5) X U(1)_X Grand Unified Theory (GUT) with extra TeV-Scale vector-like multiplets derived out of F-theory, and the dynamics of No-Scale Supergravity. We present a highly constrained "Golden" region with tan(beta) \sim 15, m_t = 173.0 - 174.4 GeV, M_1/2 = 455 - 481 GeV, and M_V = 691 - 1020 GeV, which simultaneously satisfies all known experimental constraints. We supplement this bottom-up phenomenological perspective with a top-down theoretical analysis of the one-loop effective Higgs potential, achieving a striking consonance via the dynamic determination of tan(beta) and M_1/2 at the local secondary minimization of the spontaneously broken electroweak Higgs vacuum V_min. We present the distinctive signatures of No-Scale F-SU(5) at the LHC, where a light stop and gluino are expected to generate a surplus of ultra-high multiplicity (>= 9) hadronic jet events. We propose modest alterations to the canonical background selection cut strategy which would enhance resolution of these events, while readily suppressing the contribution of all Standard Model processes, and allowing a clear differentiation from competing models of new physics. Detection by the LHC of the ultra-high jet signal would constitute a suggestive evocation of the intimately linked stringy origins of F-SU(5), and could provide a glimpse into the fundamental string moduli, and possibly even the workings of the No-Scale Multiverse.Comment: A review of recent work, submitted to the DICE 2010 Workshop proceedings, based on the invited talk by D.V.N. (20 Pages, 5 Tables, 18 Figures

Electroweak Supersymmetry around the Electroweak Scale

Inspired by the phenomenological constraints, LHC supersymmetry and Higgs searches, dark matter search as well as string model building, we propose the electroweak supersymmetry around the electroweak scale: the squarks and/or gluinos are around a few TeV while the sleptons, sneutrinos, bino and winos are within one TeV. The Higgsinos can be either heavy or light. We consider bino as the dominant component of dark matter candidate, and the observed dark matter relic density is achieved via the neutralino-stau coannihilations. Considering the Generalized Minimal Supergravity (GmSUGRA), we show explicitly that the electroweak supersymmetry can be realized, and the gauge coupling unification can be preserved. With two Scenarios, we study the viable parameter spaces that satisfy all the current phenomenological constraints, and we present the concrete benchmark points. Furthermore, we comment on the fine-tuning problem and LHC searches.Comment: RevTex4, 28 pages, 8 figures, 8 tables, version to appear in EPJ

Development of new cryogenic low-threshold detectors for the search of light dark matter and low-energy neutrino physics

The Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CENNS) is a process predicted nearly 40 years ago. In August 2017, the COHERENT experiment reported the first keV-scale detection at the 6.7 sigma level of this process, which is a probe for the new low energy physics, opening a window on a myriad of new physics opportunities. The RICOCHET experiment aims at measuring with high accuracy the CENNS process in order to probe various exotic physics scenarios in the electroweak sector. Using cryogenic bolometers operated in a cryostat 8 meters away from the core of the ILL research nuclear reactor, the experiment will benefit from an intense neutrino flux, allowing the results of COHERENT to be reproduced in a single week. The objective of an accurate measurement will be achieved after one year of data collection, by 2024. The CRYOCUBE is a compact cubic array of cryogenic detectors with the following specifications: a very low energy threshold of O(10) eV on the thermal signal, an electromagnetic background rejection of at least 10^3 and a total target mass of 1 kg distributed among 27 germanium crystals of about 30 g each. The objective of this thesis is to propose an optimized detector design for the CRYOCUBE, inspired by the cryogenic germanium detectors equipped with charge and temperature readings of the direct dark matter search experiment EDELWEISS. This joint R&D program is based on event discrimination realized in germanium semiconductor crystals. The recoil energy of an incident particle is derived either from the increase of the crystal temperature measured by a GeNTD thermistor (heat channel) or from the excited electric charges collected by electrodes on its surface (ionization channel). This double energy measurement makes it possible to distinguish the nuclear recoils produced by the CENNS or the dark matter from the electronic radioactive background. As these recoils are of the order of O(100) eV, this thesis work is focused on the development of a new generation of cryogenic low threshold germanium detectors with particle identification. It explores how to improve the resolution in heat and ionization energy up to O(10) eV while maintaining a good rejection of background events. This study is based on the testing of prototype detectors in the IP2I cryostat, which are compared to theoretical predictions from electro-thermal and electrostatic modeling of the detectors. This manuscript begins with the definition of the CENNS process, its scientific importance and the objectives of the RICOCHET experiment. It then presents the cryogenic installation allowing the surface operation of the detectors at 20 mK in optimal conditions. An electro-thermal model of the bolometers, compared with experimental data, is developed and applied to the simulation of the noise associated with the electronics of the heat signal. The thesis then formalizes the generation of the ionization signals arising from excited charge carriers drifting in the germanium crystal under the influence of the applied electric field. The expected resolution from a future low-noise electronics is modeled based on two detector designs. They are optimized by their electrostatic simulation in a finite element calculation software. A comparison of the theoretical and experimental performance of ionization is performed on the basis of the RED80 and REDN1 prototype detectors. This work ends with the characterization of the radioactive background in the cryogenic laboratory with the analysis of the data from RED80, and in particular its neutron component, used to estimate the expected background at the ILL site for RICOCHETLa diffusion élastique cohérente neutrino-noyau (CENNS) est un processus prédit il y a près de 40 ans. En août 2017, l'expérience COHERENT a rapporté la première détection à l’échelle du keV au niveau 6,7 sigma, de ce processus qui est une sonde pour la nouvelle physique à basse énergie, ouvrant une fenêtre sur une myriade de nouvelles possibilités en matière de physique. L'expérience RICOCHET vise à mesurer avec une grande précision le processus CENNS afin de sonder divers scénarios de physique exotique dans le secteur électrofaible. En utilisant des bolomètres cryogéniques installés dans un cryostat à 8 mètres du cœur du réacteur nucléaire de recherche de l'ILL, l’expérience bénéficiera d'un flux intense de neutrinos, permettant de reproduire les résultats de COHERENT en une semaine. L'objectif de mesure précise sera atteint après un an de collecte de données, d’ici 2024. Le CRYOCUBE est un ensemble compact cubique de détecteurs cryogéniques présentant les spécifications suivantes : un seuil en énergie très faible de O(10) eV sur le signal thermique, un rejet du fond électromagnétique d'au moins 10^3 et une masse totale de la cible de 1 kg répartie entre 27 cristaux de germanium d'environ 30 g chacun. L'objectif de cette thèse est de proposer une conception optimisée des détecteurs pour le CRYOCUBE, inspirée des détecteurs cryogéniques en germanium équipés de lecture de charge et de températures de l'expérience de détection directe de matière noire EDELWEISS. Ce programme conjoint de R&D est basé sur la discrimination d'événements réalisée dans des cristaux de germanium semi-conducteurs. L'énergie de recul d'une particule incidente est dérivée soit de l'augmentation de la température du cristal mesurée par une thermistance GeNTD (voie chaleur), soit des charges électriques excitées collectées par des électrodes à sa surface (voie ionisation). Cette double mesure d'énergie permet de distinguer les reculs nucléaires produits par le CENNS ou la matière noire, du fond radioactif électronique. Ces reculs étant de l’ordre de O(100) eV, ce travail de thèse est axé sur le développement d'une nouvelle génération de détecteurs cryogéniques au germanium à faible seuil avec identification des particules. Il explore comment améliorer la résolution en énergie chaleur et ionisation jusqu'à O(10) eV tout en conservant un bon rejet des événements de fond. Cette étude est basée sur l'essai de prototypes de détecteurs dans le cryostat IP2I, qui sont comparés aux prévisions théoriques issues de la modélisation électro-thermique et électrostatique des détecteurs. Ce manuscrit commence par la définition du processus CENNS, son importance scientifique et les objectifs de l'expérience RICOCHET. Il présente ensuite l'installation cryogénique permettant le fonctionnement en surface des détecteurs à 20 mK dans des conditions optimales. Un modèle électro-thermique des bolomètres, comparé à des données expérimentales, est développé et appliqué à la simulation du bruit associé à l’électronique du signal chaleur. La thèse formalise ensuite la génération des signaux d'ionisation résultant de la dérive, sous l'influence du champ électrique exercé, de porteurs de charge excités dans le cristal de germanium. La résolution attendue d’une future électronique bas-bruit est modélisée à partir de deux designs de détecteurs. Ils sont optimisés par leur simulation électrostatique dans un logiciel de calculs aux éléments finis. Une comparaison des performances théoriques et expérimentales de l'ionisation est effectuée sur la base des prototypes de détecteurs RED80 et REDN1. Ces travaux se terminent par la caractérisation du bruit de fond radioactif dans le laboratoire cryogénique avec l’analyse des données de RED80, et notamment sa composante neutronique, utilisée pour estimer le fond attendu sur le site ILL pour RICOCHE

Développements de nouveaux détecteurs cryogéniques bas seuils pour la recherche de matière noire légère et la physique des neutrinos de basse énergie

La diffusion élastique cohérente neutrino-noyau (CENNS) est un processus prédit il y a près de 40 ans. En août 2017, l'expérience COHERENT a rapporté la première détection à l’échelle du keV au niveau 6,7 sigma, de ce processus qui est une sonde pour la nouvelle physique à basse énergie, ouvrant une fenêtre sur une myriade de nouvelles possibilités en matière de physique. L'expérience RICOCHET vise à mesurer avec une grande précision le processus CENNS afin de sonder divers scénarios de physique exotique dans le secteur électrofaible. En utilisant des bolomètres cryogéniques installés dans un cryostat à 8 mètres du cœur du réacteur nucléaire de recherche de l'ILL, l’expérience bénéficiera d'un flux intense de neutrinos, permettant de reproduire les résultats de COHERENT en une semaine. L'objectif de mesure précise sera atteint après un an de collecte de données, d’ici 2024. Le CRYOCUBE est un ensemble compact cubique de détecteurs cryogéniques présentant les spécifications suivantes : un seuil en énergie très faible de O(10) eV sur le signal thermique, un rejet du fond électromagnétique d'au moins 10^3 et une masse totale de la cible de 1 kg répartie entre 27 cristaux de germanium d'environ 30 g chacun. L'objectif de cette thèse est de proposer une conception optimisée des détecteurs pour le CRYOCUBE, inspirée des détecteurs cryogéniques en germanium équipés de lecture de charge et de températures de l'expérience de détection directe de matière noire EDELWEISS. Ce programme conjoint de R&D est basé sur la discrimination d'événements réalisée dans des cristaux de germanium semi-conducteurs. L'énergie de recul d'une particule incidente est dérivée soit de l'augmentation de la température du cristal mesurée par une thermistance GeNTD (voie chaleur), soit des charges électriques excitées collectées par des électrodes à sa surface (voie ionisation). Cette double mesure d'énergie permet de distinguer les reculs nucléaires produits par le CENNS ou la matière noire, du fond radioactif électronique. Ces reculs étant de l’ordre de O(100) eV, ce travail de thèse est axé sur le développement d'une nouvelle génération de détecteurs cryogéniques au germanium à faible seuil avec identification des particules. Il explore comment améliorer la résolution en énergie chaleur et ionisation jusqu'à O(10) eV tout en conservant un bon rejet des événements de fond. Cette étude est basée sur l'essai de prototypes de détecteurs dans le cryostat IP2I, qui sont comparés aux prévisions théoriques issues de la modélisation électro-thermique et électrostatique des détecteurs. Ce manuscrit commence par la définition du processus CENNS, son importance scientifique et les objectifs de l'expérience RICOCHET. Il présente ensuite l'installation cryogénique permettant le fonctionnement en surface des détecteurs à 20 mK dans des conditions optimales. Un modèle électro-thermique des bolomètres, comparé à des données expérimentales, est développé et appliqué à la simulation du bruit associé à l’électronique du signal chaleur. La thèse formalise ensuite la génération des signaux d'ionisation résultant de la dérive, sous l'influence du champ électrique exercé, de porteurs de charge excités dans le cristal de germanium. La résolution attendue d’une future électronique bas-bruit est modélisée à partir de deux designs de détecteurs. Ils sont optimisés par leur simulation électrostatique dans un logiciel de calculs aux éléments finis. Une comparaison des performances théoriques et expérimentales de l'ionisation est effectuée sur la base des prototypes de détecteurs RED80 et REDN1. Ces travaux se terminent par la caractérisation du bruit de fond radioactif dans le laboratoire cryogénique avec l’analyse des données de RED80, et notamment sa composante neutronique, utilisée pour estimer le fond attendu sur le site ILL pour RICOCHETThe Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CENNS) is a process predicted nearly 40 years ago. In August 2017, the COHERENT experiment reported the first keV-scale detection at the 6.7 sigma level of this process, which is a probe for the new low energy physics, opening a window on a myriad of new physics opportunities. The RICOCHET experiment aims at measuring with high accuracy the CENNS process in order to probe various exotic physics scenarios in the electroweak sector. Using cryogenic bolometers operated in a cryostat 8 meters away from the core of the ILL research nuclear reactor, the experiment will benefit from an intense neutrino flux, allowing the results of COHERENT to be reproduced in a single week. The objective of an accurate measurement will be achieved after one year of data collection, by 2024. The CRYOCUBE is a compact cubic array of cryogenic detectors with the following specifications: a very low energy threshold of O(10) eV on the thermal signal, an electromagnetic background rejection of at least 10^3 and a total target mass of 1 kg distributed among 27 germanium crystals of about 30 g each. The objective of this thesis is to propose an optimized detector design for the CRYOCUBE, inspired by the cryogenic germanium detectors equipped with charge and temperature readings of the direct dark matter search experiment EDELWEISS. This joint R&D program is based on event discrimination realized in germanium semiconductor crystals. The recoil energy of an incident particle is derived either from the increase of the crystal temperature measured by a GeNTD thermistor (heat channel) or from the excited electric charges collected by electrodes on its surface (ionization channel). This double energy measurement makes it possible to distinguish the nuclear recoils produced by the CENNS or the dark matter from the electronic radioactive background. As these recoils are of the order of O(100) eV, this thesis work is focused on the development of a new generation of cryogenic low threshold germanium detectors with particle identification. It explores how to improve the resolution in heat and ionization energy up to O(10) eV while maintaining a good rejection of background events. This study is based on the testing of prototype detectors in the IP2I cryostat, which are compared to theoretical predictions from electro-thermal and electrostatic modeling of the detectors. This manuscript begins with the definition of the CENNS process, its scientific importance and the objectives of the RICOCHET experiment. It then presents the cryogenic installation allowing the surface operation of the detectors at 20 mK in optimal conditions. An electro-thermal model of the bolometers, compared with experimental data, is developed and applied to the simulation of the noise associated with the electronics of the heat signal. The thesis then formalizes the generation of the ionization signals arising from excited charge carriers drifting in the germanium crystal under the influence of the applied electric field. The expected resolution from a future low-noise electronics is modeled based on two detector designs. They are optimized by their electrostatic simulation in a finite element calculation software. A comparison of the theoretical and experimental performance of ionization is performed on the basis of the RED80 and REDN1 prototype detectors. This work ends with the characterization of the radioactive background in the cryogenic laboratory with the analysis of the data from RED80, and in particular its neutron component, used to estimate the expected background at the ILL site for RICOCHE

Investigation of local thermodynamic equilibrium in laser-induced plasmas: Measurements of rotational and excitation temperatures at long time scales

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