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 /

Higgs boson masses and B-physics constraints in Non-Minimal Flavor Violating SUSY scenarios

Journal of High Energy Physics 2012.5 (2012): 015 reproduced by permission of Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA)We present one-loop corrections to the Higgs boson masses in the MSSM with Non-Minimal Flavor Violation. The flavor violation is generated from the hypothesis of general flavor mixing in the squark emass matrices, and these are parametrized by a complete set of δ xY ij (X, Y = L,R; i, j = t,c,u or b, s, d). We calculate the corrections to the Higgs masses in terms of these δ xY ij taking into account all relevant restrictions from B-physics data. This includes constraints from BR(B → X sγ), BR(B s → μ +μ -) and ΔM Bs. After taking into account these constraints we find sizable corrections to the Higgs boson masses, in the case of the lightest MSSM Higgs boson mass exceeding tens of GeV. These corrections are found mainly for the low tan β case. In the case of a Higgs boson mass measurement these corrections might be used to set further constraints on δf YThe work of S.H. was supported in part by CICYT (grant FPA 2007-66387), in part by CICYT (grant FPA 2010-22163-C02-01) and by the Spanish MICINN’s Consolider-Ingenio 2010 Program under grant MultiDark CSD2009-00064. The work of M.H. and M.A.-C. was partially supported by CICYT (grant FPA2009-09017) and the Comunidad de Madrid project HEPHACOS, S2009/ESP-1473. The work of S.P. was supported by a Ramón y Cajal contract from MEC (Spain) (PDRYC-2006-000930) and partially by CICYT (grant FPA2009-09638), the Comunidad de Aragón project DCYT-DGA E24/2 and the Generalitat de Catalunya project 2009SGR502. The work is also supported in part by the European Community’s Marie-Curie Research Training Network under contract MRTNCT-2006-035505 ‘Tools and Precision Calculations for Physics Discoveries at Colliders’ and also by the Spanish Consolider-Ingenio 2010 Programme CPAN (CSD2007-00042

El Zoo de las partículas: De la relatividad a la teoría de campos clásica y cuántica.

El propósito de este trabajo de fin de grado es estudiar el contenido de partículas del Modelo Estándar de la física de partículas partiendo de conocimientos previos dentro del marco de la relatividad, electrodinámica y teoría de campos clásica y cuántica. Profundizaremos en algunas ideas acerca de la simetría, cuya ruptura espontánea se encuentra estrechamente relacionada con el Mecanismo de Higgs, mediante el cuál se explica que los bosones tengan masa. Para finalizar, se pondrá en relación dicho mecanismo con el fenómeno de superconductividad.<br /

Anomalies in B mesons decays: a phenomenological approach

The experimental measurements on flavour physics, in tension with Standard Model predictions, exhibit large sources of lepton flavour universality violation. We perform an analysis of the effects of the global fits on the Wilson coefficients assuming the Standard Model Effective Field Theory with semileptonic dimension six operators at 1 TeV, and by including a set of different scenarios in which the New Physics contributions to the Wilson coefficients are present in one, two or three of the Wilson coefficients at a time. We compare the results of the global fit with respect to two cases: the Standard Model and the more general case in which new physics modifies three independent Wilson coefficients. The last mentioned scenario is the favoured one for explaining the tension between Standard Model predictions and B-physics anomalies, but a specific more restricted scenario can provide similar goodness with a smaller set of free parameters. A discussion of the implications of our analysis in leptoquark models is included

Física del bosón de Higgs en el LHC

El presente Trabajo de Fin de Grado tiene como finalidad estudiar los conceptos básicos de la Física del bosón de Higgs y los métodos de cálculo utilizados para explorar esta física. Para ello, en primer lugar se dedica una sección al estudio de los conceptos, ideas y fenómenos del Modelo Estándar de la Física de Partículas elementales, modelo que describe las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas. Dedicamos especial interés a la comprensión de la fenomenología del sector de Higgs de este modelo. Así, en esta primera parte, se repasa el contenido de partículas, se explican brevemente los términos del lagrangiano del Modelo Estándar y se desarrolla en detalle la ruptura espontánea de la simetría y el mecanismo de Higgs, responsable de la generación de masas de las partículas. Finalmente, se estudia la física de la partícula de Higgs a través de sus desintegraciones. Se calcula la anchura de la desintegración de un bosón de Higgs a dos fermiones y la anchura de desintegración de un bosón de Higgs a dos bosones gauge. Finalmente, calculamos la razón de desintegración de un bosón de Higgs y se realiza un análisis numérico que permita entender el comportamiento de esta razón de desintegración. Introducimos el concepto de masa “running” de los fermiones que nos permite reproducir los resultados esperados, publicados en la literatura, para la razón de desintegración del bosón de Higgs

Discriminating between SUSY and non-SUSY Higgs sectors through the ratio H→bb¯/H→τ+τ−with a 125 GeV Higgs boson

It is still an open question whether the new scalar particle discovered at the LHC with a mass of 125 GeV is the SM Higgs boson or belongs to models of new physics with an extended Higgs sector, as the MSSM or 2HDM. The ratio of branching fractions R = BR(H→bb¯)/BR(H→τ+τ−) of Higgs-boson decays is a powerful tool in distinguishing the MSSM Higgs sector from the SM or non-supersymmetric 2HDM. This ratio receives large renormalization-scheme independent radiative corrections in supersymmetric models at large tanβ, which are insensitive to the SUSY mass scale and absent in the SM or 2HDM. Making use of the current LHC data and the upcoming new results on Higgs couplings to be reported by ATLAS and CMS collaborations and in a future linear collider, we develop a detailed and updated study of this ratio R which improves previous analyses and sets the level of accuracy needed to discriminate between models

Ruptura espontánea de simetría: El bosón de Higgs

El Modelo Estándar de las partículas elementales es una teoría cuántica de campos, basada en determinados grupos de simetría, que describe con notable éxito las partículas elementales y sus interacciones. Sin embargo, en este modelo las partículas no tiene masa. Se hace necesario entonces introducir el denominado Mecanismo de Higgs. Este es un mecanismo de ruptura de la simetría que proporciona masa a las partículas del modelo y que tiene asociada la partícula de Higgs, último eslabón del Modelo Estándar que fue descubierto en el 2012 en el colisionador de hadrones LHC en el CERN. El objetivo central de este trabajo ha sido precisamente el estudio y comprensión del mecanismo de ruptura de simetría y la partícula de Higgs. También estudiamos los acoplamientos del Higgs a fermiones y bosones de gauge y sus procesos de desintegración. Para finalizar, se ha querido dar un enfoque distinto al del resto del trabajo con el objetivo de demostrar la relación existente entre diferentes áreas de conocimiento dentro de la física. Para ello hemos considerado como este mecanismo de Higgs tiene sentido más allá de la física teórica y se puede relacionar con el fenómeno de la superconductividad. <br /

El Zoo de las partículas: De la relatividad a la teoría de campos clásica y cuántica

En este trabajo tenemos la intención de introducirnos en el Modelo Estándar, m ́as precisa-mente en la teoría electrodébil, la cual agrupa la interacción electromagnética y débil; partiendo desde la teoría cl ́asica del electromagnetismo y la mecánica cuántica bajo las restricciones im-puestas por la teoría de la relatividad de Einstein; exigiendo la invariancia Lorentz de la teoría.<br /

El bosón de Higgs y la ruptura espontánea de la simetría

Este trabajo recoge los principios básicos detrás del Modelo Estándar, explicando la necesidad de la incorporación del mecanismo de Higgs y del campo del Higgs al modelo original para resolver el problema de la generación de masas de las partículas elementales. Se estudian las propiedades de este mecanismo basado en la ruptura espontánea de la simetría partiendo de casos sencillos y desarrollando las ideas con más profundidad a lo largo de la memoria. Una vez presentados estos conceptos, se plantea cómo funciona el mecanismo de Higgs para bosones de gauge y fermiones. Finalmente, vemos la relación de todo lo estudiado con el fenómeno de la superconductividad que presentan algunos materiales a baja temperatura.<br /

El bosón de Higgs y la ruptura espontánea de simetría

En este trabajo se exponen los fundamentos del fenómeno de la ruptura espontánea de simetría, introduciendo y desarrollando el mecanismo de Higgs que llevará al nacimiento de una nuevapartícula, el bosón de Higgs. Explicaremos la naturaleza de esta partícula y alguna de sus propiedades.<br /