Aspects of electroweak symmetry breaking in light of new data from the LHC

W ostatnich latach, dzięki danym napływającym z LHC kolejne triumfy w fizyce cząstek elementarnych święcił Model Standardowy. Nie tylko odkryto jego ostatni brakujący element, bozon Higgsa, ale także wszystkie kolejne dane potwierdzają jego przewidywania. Dobrym przykładem są własności nowej cząstki które z coraz większą dokładnością zgadzają się z przewidywaniami SM. Mimo to wiemy, że SM nie jest teorią ostateczną, nadal brakuje w nim kluczowych elementów które pozwoliły by zrozumieć ewolucje wczesnego wszechświata. Kolejne napływające z LHC dane coraz lepiej zgadzają się z przewidywaniami Modelu Standardowego, tym niemniej dokładność tych pomiarów nadal pozwala na jego znaczącą modyfikację. W obliczu braku bezpośredniej obserwacji fizyki wykraczającej poza MS, to właśnie własności niedawno odkrytego Bozonu Higgsa stają się najlepszą drogą do poszukiwania rozszerzeń MS w dostępnych danych. Niniejszą pracę rozpoczyna przegląd własności bozonu Higgsa w Modelu Standardowym oraz jego minimalnym supersymetrycznym rozszerzeniu. Kolejna część pracy to dyskusja obecnego w MS problemu stabilności próżni. Polega on na metastabilności próżni elektrosłabej, co oznacza, że próżnia ta nie jest globalnym minimum potencjału, jednak jej oczekiwany czas życia jest dłuższy od obserwowanego czasu życia Wszechświata. W naszej dyskusji skupiamy się na ograniczeniach, które można nałożyć na rozszerzenia MS, płynących z wymagania aby nie destabilizowały one zbytnio próżni elektrosłabej. Przy opisie owych rozszerzeń wykorzystujemy operatory nierenormalizowalne które jako teoria efektywna mogą przybliżać własności bardzo szerokiej klasy modeli wykraczających poza MS. Badamy także wpływ grawitacji na proces rozpadu próżni, pokazując przy tym, że w przypadku MS wpływ ten jest zaniedbywalny. Ostatnia część pracy dotyczy problemu Bariogenezy, czyli wytworzenia asymetrii pomiędzy materią i antymaterią którego brakuje w MS. Bariogeneza może nastąpić gdy wszechświat ochładza się i niestabilna próżnia symetryczna rozpada się do próżni łamiącej symetrię elektrosłabą. Niestety w SM ze zmierzoną masą bozonu Higgsa proces ten jest raczej gładkim przejściem do fazy złamanej, więc niezbędne okazuje się rozszerzenie MS w celu uzyskania wymaganej przemiany fazowej pierwszego rodzaju. Daje to szansę zbadania tego rozwiązania w LHC ponieważ takie rozszerzenia muszą istotnie modyfikować potencjał teorii a więc sprzęgać się do bozonu Higgsa i modyfikować jego obserwowane własności. Skupiamy się na często pomijanym aspekcie problemu, jakim jest ewolucja kosmologiczna w czasie Bariogenezy. Jeżeli rozszerzanie się wszechświata nie było zdominowane przez relatywistyczne cząstki, zwiększona szybkość ekspansji Wszechświata pozwala odprząc procesy które mogłyby po przemianie fazowej usunąć powstałą asymetrię. Pozwala to istotnie zmniejszyć wymagania odnośnie rozszerzeń SM mających realizować Bariogenezę podczas elektrosłabej przemiany fazowej, co z kolei czyni wykrycie takich modeli w LHC mniej prawdopodobnym.

Recent years mark a great success of the Standard Model. Discovery of the Higgs boson confirmed that electroweak symmetry is broken by a vacuum expectation value of a scalar field, thus finally proving the fifty year old theoretical idea. However a modification of the SM is required to accommodate many already observed phenomena such as the existence of dark matter or proper inclusion of gravitational interactions. Discovery of the Higgs boson opened a new era of precision measurements which can guide us to the correct extension of the SM by the determination of the properties of new particle. Currently all the data is consistent with the SM prediction, however the accuracy of these measurements leaves open a possibility of significant modification of the SM. Due to lack of direct evidence of new physics at the LHC it is the new data about the Higgs boson properties that we will use as a guide towards its extension. We will begin by discussing the properties of the SM Higgs boson in the Standard Model and its supersymmetric extension which still is the best hope against the SM Hierarchy problem. Next we will exhibit a more practical approach and address issues present in the Standard Model, namely the vacuum stability issue. While the SM does not require an extension to be consistent, having a vacuum which is not absolutely stable is not a comfortable situation. We will also discuss bounds on theories beyond the SM coming from requirement of not destabilizing the electroweak vacuum to much. Here we will use the very generic framework of higher dimensional operators provided by nonrenormalisable theories. Lastly we will discuss baryogenesis, another necessary phenomenon, absent in the Standard Model. We will again use effective field theory approach and focus on the bounds on such extensions, that we can extract from requiring successful baryogenesis. Our main focus here will be the possible modification of such bounds coming from our lack of knowledge of the early universe cosmological history.