Física de neutrinos : impacto en la búsqueda de señales de supersimetría

• Autores: Knees, Paulina
• Año de publicación: 2024
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: López-Fogliani, Daniel Elbio
• Materia: SUPERSIMETRIA; SEÑALES EN LHC; MATERIA OSCURA; SBOTTOM LSP; GLUINO LSP; SUPERSYMMETRY; LHC SIGNALS; DARK MATTER; SBOTTOM LSP; GLUINO LSP
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

El marco teórico utilizado en esta tesis está dado por el modelo supersimétrico conocido como μ-from-ν Supersymmetric Standard Model, o bien μνSSM. En el cual la inclusión de neutrinos dextrógiros (o bien, right-handed) resuelve de manera simultánea el problema-μ y la ausencia de física de neutrinos presentes en el modelo estándar supersimétrico mínimo o MSSM. Como consecuencia, el modelo viola paridad-R brindando una fenomenología muy distinta al MSSM. En dicho contexto se estudia, por un lado, el neutrino estéril como candidato viable a materia oscura, teniendo en cuenta todas las restricciones experimentales provenientes de experimentos de astro partículas existentes a la fecha. Por otro lado, se analizan las partículas supersimétricas en el sector de color, squarks y gluinos, en el rol de partículas supersimétricas más ligeras (LSP). Las cuales al decaer a partículas del modelo estándar, o SM, brindan interesantes señales en los detectores de partículas presentes en el Large Hadron Collider o LHC. Con respecto al análisis de materia oscura llevado a cabo en este trabajo doctoral, por primera vez en el contexto del μνSSM se analizan los neutrinos estériles como candidatos a materia oscura. Para ello se adopta una mirada minimalista, utilizando el hecho que en el μνSSM dos neutrinos dextrógiros son suficientes para reproducir la física de neutrinos (masas y ángulos de mezcla) a nivel árbol mediante el mecanismo de See-Saw. De esta forma resulta de interés que el tercer neutrino dextrógiro no contribuya en forma significativa a dar masa a los tres neutrinos activos, comportándose como un neutrino estéril con una masa en el rango keV-MeV. En el caso particular de un neutrino estéril con masa similar a 10 keV, obtenemos un buen candidato para materia oscura con una vida media mayor que la vida del Universo. La contribución más relevante para la vida media del neutrino estéril, candidato a materia oscura, está dada por el decaimiento a tres neutrinos activos. Además, posee un canal dado por el decaimiento a un loop a un neutrino activo y un fotón. Este canal, si bien es subdominante, es relevante para observaciones de rayos X, entre otras. Se han encontrado regiones del espacio de parámetros del μνSSM, con distintos valores de masa del neutrino estéril, que satisfacen las cotas astrofísicas actuales. Debemos notar que tanto en esta parte del trabajo como en la descripta más abajo, se tienen en cuenta no solo la física de neutrinos sino también la física del sector de Higgs. Con referencia a los análisis de la LSP, en esta tesis se estudian por primera vez los squarks (a excepción del stop que ya fue estudiado previamente) y el gluino, en dicho rol teniendo en cuenta las señales y cotas analizadas por las colaboraciones del LHC. La física de neutrinos resulta crucial a la hora de analizar las posibles señales de gluinos y squarks. Los análisis están enfocados en squarks tipo up y down derechos, y en squarks tipo up izquierdos. Esto se debe a que los squarks down izquierdos no pueden ser la LSP, por resultar siempre más ligeros los squarks tipo up izquierdos por construcción. Los squarks se producen de a pares en el LHC. Entre las distintas familias de squarks existen diferencias significativas en la fenomenología, debidas principalmente a la magnitud del acoplamiento de Yukawa de los distintos quarks asociados a cada familia. El hecho de que el mismo sea mucho mayor para la tercer familia, hace que el sbottom decaiga predominantemente a un leptón cargado y un quark top o bien a un neutrino y un bottom. Por su parte, la magnitud de este acoplo para las primeras dos familias hace que el canal a leptones resulte suprimido, teniendo como canal de decaimiento dominante aquel a quarks y neutrinos. Adicionalmente, para estas familias hay dos decaimientos sub-dominantes a tres cuerpos presentes, a quark, Higgs y neutrino/leptón cargado. De esta manera, las señales en el LHC que pueden restringir los resultados serán distintas para cada caso. Por otro lado, otra diferencia en la fenomenología surge de la densidad partónica de los quarks asociados. La misma es mucho mayor para la primera familia, lo que influye en la sección eficaz de producción de los squarks. En particular, para el sbottom LSP, ambos decaimientos dominantes pueden resultar en vértices desplazados o inmediatos (prompt), dependiendo de la región del espacio de parámetros que se estudie. Se concluye que para los decaimientos desplazados (inmediatos) los resultados obtenidos se traducen en un límite inferior para la masa de 1041 GeV (1070 GeV), mientras que la cota superior hallada para la longitud de decaimiento es de 3.5 mm. Por su parte, para las dos primeras familias de squarks, el decaimiento dominante resulta en vértices desplazados. Se obtuvo para un squark strange derecho LSP, un límite inferior en la masa de 1646 GeV, lo que corresponde a un límite superior en la longitud de decaimiento de 54.7 mm, y para un scharm derecho (izquierdo) LSP, los límites obtenidos son 1625 (1357) GeV y 13.4 (1.9) mm. Sin embargo, la primera familia de squarks LSP resulta estar excluida, a menos que la masa del gluino sea mayor a 7 TeV, en dicho caso produce un límite en la masa del squark de aproximadamente 1800 GeV. Para el caso del gluino, se estudia la producción de a pares en colisiones quark- antiquark y gluon-gluon. Sus principales canales de decaimiento son los decaimientos de tres cuerpos: a dos quarks y a un leptón cargado o un neutrino. Los resultados obtenidos implican una cota inferior en la masa del gluino LSP alrededor de 2600 GeV, y una cota superior para su longitud de decaimiento aproximadamente de 6 cm.
The framework used in this thesis is given by the supersymmetric model known as μ-from-ν Supersymmetric Standard Model, or μνSSM. In which the inclusion of right- handed neutrinos solves simultaneously the μ-problem and the absence of neutrino physics present in the minimal supersymmetric standard model, or MSSM. Therefore, this model breaks R-parity offering a very different phenomenology in contrast to the MSSM. In this context we study, on the one hand, the sterile neutrino as a viable dark matter candidate, including all the available experimental constraints coming from astroparticle experiments. On the other hand, we study the sbottom (susy partner of bottom), first and second family of squarks (susy parterns of the correspnding quarks) and the gluino (susy partner of gluon) as the lightest supersymmetric particles (LSP), which after decaying to Standard Model (SM) particles offer very interesting signals at the particle detectors in the Large Hadron Collider (LHC). With respect to dark matter analysis carried out in this thesis, we analyze for the first time in the context of μνSSM the sterile neutrinos as dark matter candidates. For this purpose, we adopt a minimalistic approach using the fact that in the model two right- handed neutrinos are enough to reproduce neutrino physics (masses and mixing angles) at tree level through the See-Saw mechanism. Consequently, we are interested in the case where the third right-handed neutrino does not contribute to the mass and mixing generation of the active neutrinos, behaving as a sterile neutrino in the keV-MeV mass range. For a sterile neutrino with mass is about 10 keV, we found a good dark matter candidate with a lifetime larger than the life of the Universe. The most relevant contribution to its lifetime is given by the three body decay to active neutrinos. Besides, it can decay via one loop to an active a neutrino plus a photon. Even if this decay channel is subdominant, it’s relevant for X-ray observations, among others. We found regions of the parameter space of the μνSSM, with different values of the sterile neutrino mass, fulfilling the astrophysics constraints. Additionally, it’s worth noting that in all the analysis carried out in this thesis we considered the constraints of neutrino physics as well as Higgs physics. With reference to LSP analyses, this thesis studies for the first time the squarks (except for the stop, which has already been studied previously) and the gluino in this role, taking into account the signals and bounds analyzed by the LHC collaborations. Neutrino physics is crucial when analyzing possible signals of gluinos and squarks. The analyses focus on right-handed up- and down-type squarks, as well as left-handed up-type squarks. This is because left-handed down-type squarks cannot be the LSP since the left-handed up-type squarks are always lightest. Squarks are produced in pairs at the LHC. Among the different squark families there are significant phenomenological differences, primarily due to the magnitude of the Yukawa coupling of the different quarks associated with each family. For the third family, this coupling is much larger, causing the sbottom to decay predominantly into a charged lepton and a top quark or into a neutrino and a bottom quark. For the first two families, the smaller coupling suppresses the lepton decay channel, with quark and neutrino decays being dominant. Additionally, for these families, two subdominant three-body decays are present, producing a quark, Higgs, and either a neutrino or a charged lepton. Thus, the LHC signals that can constrain the results will differ for each case. Another difference in the phenomenology arises from the partonic density of the associated quarks, which is much higher for the first family, influencing the squark production cross-section. In particular, for sbottom LSP, both dominant decays can result in either displaced or prompt vertices, depending on the region of the parameter space studied. It is concluded that for displaced (prompt) decays, the results translate into a lower mass limit of 1041 GeV (1070 GeV), while the upper bound for the decay length is 3.5 mm. For the first two squark families, the dominant decay leads to displaced vertices. For a right-handed strange squark LSP, a lower mass limit of 1646 GeV is obtained, corresponding to an upper bound on the decay length of 54.7 mm, and for a right-handed (left-handed) charm squark LSP, the obtained limits are 1625 (1357) GeV and 13.4 (1.9) mm. However, the first family of squarks as LSP turns out to be excluded unless the gluino is heavier than 7 TeV, in which case it implies a squark mass limit of approximately 1800 GeV. For the gluino case, we study its pair production in quark-antiquark and gluon-gluon collisions. The main decay channels for the gluino LSP are the three-body decays to two quarks and a lepton or a neutrino. In this case, our results imply a lower limit on the mass of the gluino of about 2600 GeV, and an upper limit for the decay length of about 6 cm.
Fil: Knees, Paulina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.