Búsqueda de nueva física en quarks pesados en el LHC Run II

Abstract

Las últimas décadas trajeron innumerables avances en el ámbito de la física de partículas, tanto en el campo experimental como en el teórico. El modelo estándar se erigió como una teoría casi cerrada, casi perfecta donde engranaje por engranaje todo parece funcionar. Los aceleradores permitieron testear con gran precisión los límites del modelo y traer a la luz hallazgos largamente esperados como el descubrimiento del bosón de Higgs. Sin embargo, muchas piezas aún no encajan. Elementos como la materia oscura, la energía oscura y los axiones nunca fueron detectados, entre otros, aunque son imprescindibles para explicar muchos fenómenos, y sin embargo cada día los experimentos siguen agregándole orden de precisión a los parámetros ya predichos por el modelo. La búsqueda de nuevas partículas deja de centrarse únicamente en la detección directa de producción de las mismas para buscar más minuciosamente la forma indirecta de medirlas. Esta tesis se propone estudiar algunas posibles formas de encarar la tarea desde un punto de vista más fenomenológico y plantea algunas mediciones indirectas para el LHC. En particular, la tercera generación de quarks, la más pesada, presenta un gran atractivo a la hora de buscar nuevas partículas. Esto se debe a sus particulares características, pero especialmente a la gran masa del quark top. Muchas teorías predicen que esta partícula podría estar acoplada de forma significativa a un sector con nuevas partículas aún desconocidas. Además, este quark es hoy en día una de las partículas menos estudiadas y que sin embargo tiene la posibilidad de ser producida en cantidad en el LHC. Esta tesis es el compendio de varios trabajos diferentes que intentan encontrar fenomenológicamente el espacio de parámetros donde la búsqueda de nuevas partículas podría ser más sensible y también proponen observables y mediciones que podrían realizarse en el LHC con el fin de detectarlas de forma indirecta. Como primer trabajo, utilizamos un modelo con acoples genéricos a distintos tipos de partículas que interactúan con los quarks pesados, simulamos su producción en el LHC a través del uso del algoritmo de Monte Carlo y, haciendo uso de los límites experimentales actuales para la detección de nuevas partículas, mostramos el espacio de parámetros donde podría no haber sido descartada una partícula dentro de nuestras hipótesis. Como segundo trabajo, nos abocamos a la medición directa del elemento de mezcla Vtd, el cual aún no ha sido medido con precisión y que, de existir una nueva física desconocida, podría acarrear variaciones inesperadas. Proponemos diversas búsquedas para el LHC y el (HL)LHC que podrían tener una significancia de más de dos sigmas. Por último, presentamos un software sencillo que, mediante la introducción numérica de acoples y anchos de decaimiento por parte del usuario, permite estimar la sensibilidad que tendrán los canales de decaimiento de una nueva partícula de cualquier modelo cuyos parámetros se utilicen. Como corolario, estudiamos la fenomenología de un modelo simplificado de la teoría de Randall Sundrum a energías del orden del TeV y estimamos, mediante el uso de nuestro software, en qué espacio de parámetros un nuevo bosón podría no estar descartado aún.