Indirect searches for the Standard Model extensions

W niniejszej rozprawie doktorskiej badamy wpływ ograniczeń eksperymentalnych (wynikających z pomiarów precyzyjnych procesów z udziałem pól modelu standardowego) oraz ograniczeń teoretycznych (wynikających z wymogów spójności rozważanego modelu) na perspektywy pośrednich poszukiwań fizyki spoza modelu standardowego. Ten program może to być realizowany w ramach dwóch różnych, ale komplementarnych podejść: oddolnego (ang. bottom-up) i odgórnego (ang. top-down). Podejście oddolne polega na badaniu różnic między danymi eksperymentalnymi a przewidywaniami modelu standardowego (SM), bez zakładania konkretnej formy bardziej fundamentalnej teorii. W obliczu braku bezpośrednich odkryć nowych cząstek w eksperymentach akceleratorowych oraz przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) osiągającym swój limit energii, to podejście staje się coraz powszechniejsze przy poszukiwaniach nowej fizyki. Z kolei podejście odgórne opiera się na analizie konkretnych rozszerzeń modelu standardowego zaproponowanych w celu zaadresowania jednego lub wielu jego ograniczeń. W tej pracy prezentujemy trzy odrębne, ale uzupełniające się przykłady badań opartych na tych podejściach, oferujące szerszą perspektywę na niektóre z aktualnych obszarów zainteresowań w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych. Na początek, prezentujemy dwa projekty podążające podejściem oddolnym'' w poszukiwaniach fizyki BSM. Wynikiem pracy nad pierwszym z nich, SmeftFR v3 -- generator reguł Feynmana dla efektywnego rozszerzenia modelu standardowego'', jest narzędzie numeryczne zaprojektowane do obliczeń w efektywnym rozszerzeniu modelu standardowego (SMEFT). SMEFT pozwala na parametryzację fizyki BSM za pomocą operatorów wyższych wymiarów skonstruowanych z pól modelu standardowego (SM), dzięki czemu możliwe jest badanie fizyki BSM w sposób niezależny od konkretnego modelu. Choć bardzo użyteczny, SMEFT charakteryzuje się wysokim poziomem skomplikowania i tego rodzaju narzędzia okazują się niezbędne do efektywnych obliczeń w ramach SMEFT. Drugi projekt, Produkcja pary bozonów Higgsa poprzez fuzję bozonów wektorowych (VBF) z uwzględnieniem wyższych wyrazów rozwinięcia (NLO) w SMEFT'', prezentuje szczegółowe obliczenia (wykorzystując opisany wcześniej pakiet SmeftFR v3) dotyczące konkretnego procesu uwzględniając efekty operatorów bozonowych wyższych rzędów: wymiaru-6 i wymiaru-8. Jako wynik otrzymaliśmy oszacowanie maksymalnego wzmocnienia tego procesu w ramach SMEFT dla przyszłego eksperymentu akceleratorowego High Luminosity LHC (HL-LHC). Trzeci projekt badawczy, Fermiony wektorowe, rzeczywisty skalar i fenomenologia bozonu Higgsa'', jest reprezentatywnym przykładem podejścia ``odgórnego'' do poszukiwań nowej fizyki. Zakładając konkretny skład cząstek BSM — fermiony wektorowe (VLF) i rzeczywisty skalar — zdefiniowaliśmy teoretyczne ograniczenia dla parametrów tych modeli i oszacowaliśmy ich możliwy wpływ na proces produkcji pary bozonów Higgsa w fuzji gluonowej, na pomiary precyzyjnych obserwabli elektrosłabych, elektrosłabego przejścia fazowego oraz unifikacji stałych sprzężenia. Dodatkowo zaprezentowaliśmy przykład dopasowania (ang. matching) ze sobą SMEFT i rozważanych rozszerzeń modelu standardowego poprzez VLF i rzeczywisty skalar, zapewniając pomost między dwoma podejściami. Chociaż wszystkie trzy projekty badawcze osobno stanowią wartościowe przykłady jakościowych badań w fizyce wysokich energii, ich połączenie ujawnia i podkreśla pośrednie poszukiwania jako obiecujące podejście do poszukiwania nowej fizyki.

In this doctoral thesis, we investigate the effects of the experimental bounds (derived from the precision measurements of processes involving the Standard Model fields) and the theoretical constraints (arising from the consistency requirements of the considered model) on the prospects for indirect searches for physics beyond the Standard Model (BSM). This program can be realized within two distinct but complementary methods: the bottom-up and top-down approaches. The bottom-up approach focuses on studying discrepancies between experimental results and the Standard Model (SM) predictions without assuming the form of the underlying theory. With the lack of direct discoveries of new particles in our accelerator experiments and with the Large Hadron Collider (LHC) reaching its energy limit, this approach is becoming increasingly common for uncovering physics BSM. Conversely, the top-down approach is based on the specific Standard Model extensions proposed to address one or more of its shortcomings. In this work, we present three distinct but complementary examples of studies based on these two approaches, providing a broader perspective on some current areas of interest in the field of particle physics. We first present two projects that follow the bottom-up approach to searches for BSM physics. The first project, “SmeftFR v3 -- Feynman rules generator for the Standard Model Effective Field Theory,” resulted in a numerical tool designed for calculations in the Standard Model Effective Field Theory (SMEFT). The SMEFT allows the parametrization of BSM physics by higher-dimensional operators constructed from the SM fields, enabling the study of BSM phenomena in a model-independent way. Although very useful, the SMEFT is also a highly complicated framework, and tools like this one prove indispensable for efficient calculations. The second study, “Double Higgs boson production via vector-boson fusion (VBF) in SMEFT next-to-leading order (NLO) in the EFT expansion,” provides a detailed calculation (with the use of the SmeftFR v3 package described in the previous chapter) of a specific process including effects of dimension-6 and dimension-8 bosonic operators. As a result, we obtain estimates of the maximal potential enhancement of this process within the SMEFT framework for the High Luminosity LHC (HL-LHC) accelerator experiment. The third and final study, “Vector-like fermions, real scalar and Higgs boson phenomenology,” is a representative example of a top-down approach to new physics searches. Assuming specific BSM particle content—vector-like fermions (VLF) and a real scalar singlet—we work out theoretical constraints on the model parameters and calculate the possible impact of these BSM particles on the process of double Higgs boson production via gluon fusion, on electroweak precision observables, the electroweak phase transition, and gauge couplings unification. Additionally, we presented a procedure of matching between the SMEFT and the considered VLF and scalar extensions, providing a bridge between the two approaches. While all three of these research projects serve as representative examples of high-standard research projects, their combination highlights and emphasizes indirect searches for BSM physics as a promising approach to new physics searches.