Numerical and analytical investigations of physics beyond the Standard Model

Show full item record

Title: Numerical and analytical investigations of physics beyond the Standard Model
Author: Tähtinen, Sara
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Fysiikan osasto
Doctoral Programme in Particle Physics and Universe Sciences
Helsinki Institute of Physics
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2018-11-16
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: This thesis consists of three separate research papers, and an introductory overview concentrating on the physics relevant for these subjects. In the first paper we use classical, real-time simulations to study gravitational wave production in the early Universe. The second paper focuses on extended Technicolor corrections to the Higgs mass. The third paper uses lattice gauge field theory to study the properties of a strongly interacting SU(2) gauge model with fermions in the fundamental representation. Many cosmological models suggest that an inflatory epoch took place in the early Universe, and it was followed by a "reheating" phase. These events might have emitted gravitational waves, which could be detectable today as a primordial gravitational wave background. Using large-scale numerical simulations we compute the gravitational wave spectrum from a tachyonic preheating transition of a Standard Model like SU(2)-like Higgs system. Comparing non-Abelian and Abelian models to their scalar-only counterparts, we find that adding the non-Abelian gauge field to a scalar-only theory reduces and the Abelian gauge field increases the gravitational wave production, but unfortunately none of these models fall in the detection region of LISA. All known elementary particles and three of the four fundamental forces of nature are described by the Standard Model (SM). However, it leaves some phenomena unexplained, which leads us believe that the SM must be extended in some way. We focus on Technicolor (TC) theory that generates the masses of the W and Z bosons through the dynamics of the new gauge interactions. Extending the gauge dynamics of TC, effectively represented by four fermion interactions, we can generate the masses of SM fermions, but instead of the 125 GeV scalar, TC typically predicts a scalar state of the order of 1 TeV. We show that by systematically treating these four-fermion interactions, the mass of the scalar resonance can be greatly reduced while remaining in agreement with the experimental constraints of the oblique corrections. Building a successful extended Technicolor (ETC) model has proven to be difficult, as it is challenged by experimental constraints on flavor-changing neutral currents and precision electroweak measurements. Walking TC models suggest that the gauge couplings must evolve very slowly, i.e walk instead of run, over a certain range of energy scales. Walking behaviour exhibits nearly conformal behavior that is caused by an infrared fixed point (IRFP), but a theory with an IRFP must be studied by lattice field simulations due to its non-perturbative effects. We compute the mass spectrum of SU(2) gauge theory with two, four and six massless Dirac fermions in the fundamental representation of the gauge group. We observe that $N_f=$ 2 and 4 behave with the usual pattern of chiral symmetry breaking, whereas our results for $N_f=6$ indicate the existence of an IRFP.Suurin osa hyvin varhaisen maailmankaikkeuden vaiheista on edelleen selvittämättä. Yksi mahdollinen tapa tutkia universumin alun tapahtumia on mitata gravitaatioaaltoja. Gravitaatioaaltoja syntyy suurten mullistusten yhteydessä, kuten kahden massiivisen kappaleen törmäyksessä. Erilaisten mallien tuottamia gravitaatioaaltoja voidaan laskea teoreettisesti, ja verrata niitä havaintoihin. Gravitaatioaaltojen mittaaminen on kuitenkin vaikeaa, mutta suuri etappi saavutettiin vuonna 2016, kun ilmoitettiin, että yhdysvaltalaisella LIGO-laitteistolla oltiin saatu suora havainto gravitaatioaalloista. Lisäksi suunnitteilla oleva LISA-satelliitti voisi havaita myös kosmologista alkuperää olevia gravitaatioaaltoja. Tämän väitöskirjan ensimmäisessä osassa tutkimme yhtä varhaisen maailmankaikkeuden mallia. Tietokonesimulaatioiden avulla laskemme sen ennustamien gravitaatioaaltojen taajuuden ja voimakkuuden, joita vertaamme tulevien koelaitteiden mittausrajoihin. Hiukkasfysiikan standardimalli kuvaa kvanttikenttäteorian avulla kolme perusvuorovaikutusta sekä tunnetut alkeishiukkaset. 1970-luvulla luotu teoria on osoittautunut erittäin menestykselliseksi, ja vuonna 2012 ilmoitettu Higgsin bosonin löytyminen varmisti teorian pätevyyden hiukkasfysiikan perustana. Standardimallia on kuitenkin laajennettava, sillä nykyisellään se ei onnistu selittämään kaikkia tunnettuja ilmiöitä, eikä mallissa ole esimerkiksi yhtään mahdollista pimeän aineen hiukkasta. Tässä väitöskirjassa keskitymme yhteen mahdolliseen standardimallin laajennukseen, tekniväriteoriaan. Tekniväriteorioissa Higgsin hiukkanen koostuu pienemmistä hiukkasista, teknikvarkeista, samankaltaisesti kuin esimerkiksi hiukkasfysiikan standardimallissa protoni ja neutroni koostuvat kvarkeista. Suora analogia kvarkkien ja teknikvarkkien välillä kuitenkin ontuu. Varhaiset teknivärimallit ennustivat noin kymmenen kertaa suuremman Higgsin massan kuin mitä CERNissä tehdyt mittaukset osoittivat. Väitöskirjan toisessa osassa osoitamme, että tietyin muutoksin tutkittu teknivärimalli on sopusoinnussa mitatun Higgsin massan kanssa. Kolmannessa osassa tutkimme hilasimulaatioilla, kuinka monta erilaista teknikvarkkia täytyisi tietynlaisessa mallissa olla, jotta malli olisi sopusoinnussa kokeellisten tulosten kanssa.
Subject: Teoreettinen fysiikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Numerica.pdf 3.604Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record