Extension of the Standard Model with a Doublet and a Complex Singlet

Model Standardowy (The Standard Model (SM)) opisuje z powodzeniem oddziaływa- nia cząstek elementarnych, jednak pozostawia bez odpowiedzi wiele podstawowych pytań. Przedstawiana rozprawa doktorska dotyczy niektórych z otwartych zagadnień. Głównym celem rozprawy jest zbadanie i zrozumienia pochodzenia występującej we Wszechświecie asymetrii między materią a antymaterią oraz natury ciemnej materii (Dark Matter (DM)). Bariogeneza, czyli kreacja asymetrii barionowej (BAU) jest od dawna otwartym problemem kosmologii. Sakharov sformułował warunki aby taki proces kreacji wystąpił- niezachowa- nie liczby barionowej B, łamanie symetrii ładunkowej C i symetrii kombinowanej CP oraz odstępstwo od równowagi termicznej. Wśród wielu scenariuszy proponowanych w ostatnich dekadach – bariogeneza elektrosłaba (Electroweak EW) jest jednym z bardziej interesujących podejść. Jak się okazuje, oddziaływania elektrosłabe tak jak je ujmuje Model Standardowy, nie są w stanie wygenerować obserwowanej asymetrii barionowej z co najmniej dwóch po- wodów. Po pierwsze – przejścia fazowe pod wpływem odziaływań elektrosłabych nie są wy- starczająco silnymi przejściami pierwszego rodzaju, i dlatego asymetria barionowa tworzona w czasie przejścia fazowego rozmywa się następnie poprzez nietłumione procesy naruszające liczbę barionową w fazie ze złamaną symetrią. Po drugie, efekty łamania CP, związane z macierzą mieszania CKM, są za słabe aby wygenerować odpowiednią asymetrię barionową. Głównym celem rozprawy było zbadanie tych zagadnień w rozszerzeniach Modelu Standar- dowego z neutralnym zespolonym skalarem i parą dubletów izospinowych kwarków wektoro- wych (VQ). W tym celu wprowadziliśmy potencjał z miękką łamaną symetrią globalną U(1), stanowiący podstawę modelu Constrained SM+CS model (cSMCS). Gdy wartość oczekiwana dla zespolonego skalara jest niezerowa pojawia się możliwość spontanicznego łamania CP. Mieszanie zwykłych kwarków z Modelu Standardowego z kwarkami wektorowymi stanowi dodatkowe źródło łamania CP. Ten model prowadzi do przejścia fazowego silnie pierwszego rodzaju pod wpływem oddziaływań elektrosłabych i poprawnego opisu bariogenezy. Spek- trum cząstek skalarnych modelu cSMCS obejmuje trzy neutralne cząstki Higgsa, wśród nich przyjmuje się, że najlżejsza to cząstka Higgsa (SM-like) o własnościach zbliżonych do tych przewidywanych dla cząstki Higgsa z Modelu Standardowego i zaobserwowanych w roku 2012 w Large Hadron Collider (LHC, CERN, Genewa)) dla odkrytej cząstki Higgsa o masie ok. 125 GeV. W rozważanym modelu ta cząstka Higgsa pochodzi głównie z dubletu SU(2), z małą domieszką singletu. Obliczyliśmy również przekrój czynny na produkcję w LHC cząstek Higgsa z modelu cSMCS. Do opisu rozkładów kwarków i gluonów w protonach zastosowali- śmy rachunek zaburzeń Kwantowej Chromodynamiki (QCD) z dokładnością do wiodących logarytmów (LO QCD), używając nieprzecalkowanych rozkładów partonowych (the uninte- grated parton distribution functions (UPDF)), zaproponowanych przez Kimbera, Martina i 1 Ryskina (KMR). Najpierw przetestowaliśmy nasze podejście obliczając przekrój czynny na produkcję cząstki Higgsa z Modelu Standardowego i porównując nasze wyniki z innymi ist- niejącymi w literaturze oraz z danymi doświadczalnymi z doświadczeń ATLAS i CMS przy LHC. Po wykazaniu, że nasze obliczenia odtwarzają z wystarczającą dokładnością przewi- dywania teoretyczne i zgadzają się z danymi doświadczalnymi dla Modelu Standardowego, zastosowaliśmy nasze podejście do cząstek Higgsa z modelu cSMCS. Nasze przewidywania dla najlżejszej cząstki Higgsa jest oczywiście zbliżone do przewidywań dla cząstki z Modelu Standardowego, przewidywania dla cięższych cząstek Higgsa z modelu cSMCS dostarczają wskazówek do dalszych poszukiwań cząstek skalarnych. Badania rozszerzeń Modelu Stan- dardowego nie mogą się ograniczać jedynie do sektora Higgsa, gdyż efekty związane z ciemną materią (DM) obserwuje się zarówno w galaktykach, dużych strukturach Wszechświata, pro- mieniowaniu reliktowym (Cosmic Microwave Background Radiation) itp. Ponieważ żadna cząstka w modelu cSMCS nie nadaje się na cząstką ciemnej materii, wprowadziliśmy rozsze- rzenie tego modelu przez dodanie tzw. biernego dubletu SU(2) (the inert doublet) z zerową wartością próżniową. Taki model , nazwany przez nas cIDMS, ma założoną ścisłą syme- trię typu Z 2 i zawiera stabilną cząstkę ciemnej materii. Model opisuje poprawnie gęstość reliktową oraz wyniki pośredniej detekcji ciemnej materii jak również dane doświadczalne z LHC. Rozprawa zawiera również analizę modelu z dwoma dubletami pól skalarnych (Two Higgs Doublet Model (2HDM)) w oparciu o warunki kasowania się rozbieżności kwadrato- wych (Veltman conditions). Przeanalizowaliśmy wnioski wynikające z warunków Veltmana dla wersji tego modelu z miękkim łamaniem symetrii Z 2 , próżnią typu mieszanego (Mixed Vacuum) , w które oba dublety mają niezerową wartość próżniową i oddziaływaniem Yukawy typu II. Z założenia symetria CP jest zachowana w rozważanym modelu. Spektrum cząstek skalarnych w tym modelu zawiera trzy cząstki neutralne h , H i A oraz dwie naładowane H + , H − . Zarówno h jak i cięższa od niej cząstka H mogą odgrywać rolę cząstki Higgsa z Modelu Standardowego. Przeanalizowaliśmy dwa możliwe scenariusze typu ŚM-like"dla cząstki h i cząstki H , uwzględniając najnowsze dane z LHC dotyczące masy ( ∼ 125 GeV) i sprzężeń do bozonów cechowania cząstki Higgsa oraz inne ograniczenia, w tym na masę naładowanego bozonu Higgsa H + , z rozpadu kwarku b. Wykazaliśmy, że warunki Veltmana są spełnione jedynie dla cząstki h i uzyskaliśmy zbieżność naszych przewidywań dla parame- trów modelu z najlepszym dopasowaniem uzyskanym w LHC, zawierającym również pomiary niewykorzystywane w naszej analizie.

The Standard Model (SM) of particle physics is very successful, yet it leaves many basic questions unanswered. This thesis is focused on some of these open problems. The aim of this study is to explore and exploit the origins of the matter-antimatter asymmetry in the Universe and the origins of dark matter (DM). Baryogenesis, the creation of the baryon asymmetry in the Universe, is a long-standing problem in cosmology. Sakharov formulated his well-known conditions for baryogenesis: baryon number violation, C and CP violation, and a departure from thermal equilibrium. Among the many particle physics scenarios that have been proposed in the past decades, electroweak baryogenesis is interesting. It has become apparent that the SM of electroweak interactions is unable to account for the observed magnitude of the BAU for at least two reasons. Firstly, the electroweak phase transition is not strongly first-order and therefore, any baryon asymmetry created during the transition would subsequently be washed out by unsuppressed baryon violating processes in the broken phase. Secondly, there is not enough CP violation from the CKM matrix to generate the baryon asymmetry. With the motivation of investigating these problems, we extend the SM by a neutral complex scalar singlet, and a pair of heavy iso-doublet vector quarks (VQ). We consider the potential with a softly broken global U(1) symmetry, which we call the Constrained SM+CS model (cSMCS). Assuming nonzero vacuum expectation value for the complex singlet, we analyze the physical conditions for spontaneous CP violation. The mixing of SM quarks with heavy VQ pairs result in the appearance of additional CP violation. This model provides the strong enough first order EW phase transition and leads to a proper description of baryogenesis. The scalar spectrum of the cSMCS includes three neutral Higgs particles with the lightest one considered to be the 125 GeV SM-like Higgs boson found in 2012 at the LHC. In the considered model, the SM-like Higgs boson comes mostly from the SM-like SU(2) doublet, with a small correction from the singlet. We present a prediction of the production rates of the cSMCS model Higgs bosons at the LHC, using a conventional effective LO QCD framework and the unintegrated parton distri- bution functions (UPDF) of Kimber-Martin-Ryskin (KMR). We first compute the SM Higgs production cross-section and compare the results to the existing calculations from different frameworks as well as to the experimental data from the CMS and ATLAS collaborations. It is shown that our framework is capable of producing sound predictions in this case. The- refore we use it for calculation of the cSMCS predictions for the Higgs boson production at the LHC. These predictions for yet undetected Higgs bosons of the cSMCS model may provide some clues for the future discovery. On the other hand, the gravitational effects of DM have been observed in galaxies, clusters of galaxies, the large-scale structure of the Universe and the Cosmic Microwave Background Radiation. Since none of the particles in the cSMCS model satisfies these conditions, we introduce, in addition a SU(2) doublet with zero vacuum expectation value (The Inert Do- ublet). This model, that we call cIDMS has an exact Z 2 symmetry and provides correct relic density of DM while fulfilling direct and indirect DM detection limits and simultaneously agree with the LHC results. The last part of this thesis is devoted to the applying Veltman condition in the Two Higgs Double Model (2HDM) in order to find the masses of the heavy scalars. The 2HDM is one of the simplest extensions of the SM, providing rich phenomenology. It contains an extended scalar sector which instead of one complex SU (2) doublet presence in the SM contains two of the doublets, with weak hypercharges equal to 1 . We analyze the soft Z 2 symmetry breaking version of the 2HDM with non-zero vacuum expectation values for both Higgs doublets (Mixed vacuum). We assume that CP is conserved in the scalar sector. In the particle spectrum of this model, there are two neutral CP-even scalars h and H , h being lighter than H . These scalars are two possible candidates for the SM-like Higgs boson, forming two possible scenarios. In the model, there are also a CP-even scalar (pseudoscalar) A and the charged Higgs bosons H ± . The results are constrained by comparing the properties of the light Higgs particle with the corresponding LHC data. We have found that the consistent solution exists only for the SM-like h scenario, with properties in agreement with the recent experimental data