The vast majority of all experimental results in particle physics can be described by the Standard Model (SM) of particle physics. However, neither the existence of neutrino masses nor the mixing in the leptonic sector, which have been observed, can be described within this model. In fact, the model only describes a fraction of the known energy in the Universe. Thus, we know there must exist a theory beyond the SM. There is a plethora of possible candidates for such a model, such as supersymmetry, extra dimensional theories, and string theory. So far, there are no evidence in favor of these models. These theories often reside at high energies, and will therefore be manifest as effective theories at the low energies experienced here on Earth. A first example in extra-dimensional theories. From our four-dimensional point of view, particles which propagate through the extra dimensions will effectivel be perceived as towers of heavy particles. In this thesis we consider an extra-dimensional model with universal extra dimensions, where all SM particles are allowed to propagate through the extra dimensions. Especially, we place a bound on the range of validity for this model. We study the renormalization group running of the leptonic parameters as well as the Higgs self-coupling in this model with the neutrino masses generated by a Weinberg operator. Grand unified theories, where the gauge couplings of the SM are unified into a single oe at some high energy scale, are motivated by the electroweak unification. The unification must necessarily take place at energies many orders of magnitude greater than those that ever can be achieved on Earth. In order to make sense of the theoru, ehich is given at the grand unified scale, at the electroweak scale, the symmetry at the grand unified scale is broken down to the SM symmetry. Within these models the SM is considered as an effective field theory. We study renormalization group running of the leptonic parameters in a non-supersymmetric SO(10) model which is broken in two steps via the Pati-Salam group. Finally, the discovery of the new boson at the LHC provides a new opportunity to search for physics beyond the SM. We consider an effective model where the magnitudes of the couplings in the Higgs sector are scaled by so-called coupling scale factors. We perform Bayesian parameter inference based on the LHC data. Furthermore, we perform Bayesian model comparison, comparing models where one or several of the Higgs couplings are allowed, to the SM, where the couplings are fixed. / <p>QC 20141020</p>

La recherche indirecte des effets de la physique au-delà du Modèle Standard à travers les processus de la saveur est complémentaire aux efforts au LHC pour observer directement la nouvelle physique. Dans cette thèse nous discutons plusieurs scénarios au-delà du Modèle Standard (a) en utilisant une approche basée sur les théories de champs effective et (b) en considérant des extensions explicites du Modèle Standard, à savoir les modèles à deux doublets de Higgs et les scénarios postulant l'existence des bosons leptoquarks scalaires à basse énergie. En particulier, nous discutons le phénomène de la brisure de l'universalité des couplages leptoniques dans les désintégrations basées sur les transitions b → sℓℓ et b → cτν, et la possibilité de chercher les signatures de la violation de la saveur leptonique à travers les modes de désintégration similaires. Une proposition pour tester la présence d'un boson pseudoscalaire léger à travers les désintégrations des quarkonia est aussi présentée. / Indirect searches of physics beyond the Standard Model through flavor physics processes at low energies are complementary to the ongoing efforts at the LHC to observe the New Physic phenomena directly. In this thesis we discuss several scenarios of physics beyond the Standard Model by (a) reusing the effective field theory approach and (b) by considering explicit extensions of the Standard Model, namely the two-Higgs doublet models and the scenarios involving the low energy scalar leptoquark states. Particular emphasis is devoted to the issue of the lepton flavor universality violation in the exclusive decays based on b → sℓℓ and b → cτν, and to the possibility of searching for signs of lepton flavor violation through similar decay modes. A proposal for testing the presence of the light CP-odd Higgs through quarkonia decays is also made.

In dieser Arbeit verwenden wir Flavourinvarianten, um systematisch Lösungen für Probleme des Standardmodells (SM) der Teilchenphysik mit Hilfe verschiedener effektiver Feldtheorien (EFTs) zu untersuchen. In Teil I untersuchen wir die CP-Verletzung im SM und in der SM EFT erweitert mit leichten, sterilen Neutrinos. Wir konstruieren die erzeugende Menge von Flavourinvarianten im νSM, mit der jede Observable als Polynom der Invarianten, sowie die Bedingungen für die CP-Verletzung auf flavourinvariante Weise ausgedrückt werden können. Anschließend weiten wir die Ergebnisse auf die EFT-Wechselwirkungen für verschiedene Szenarien der Neutrinomassen aus. Hier ändert sich die Form der EFT-Flavourinvarianten und ihre Unterdrückung mit der Skala der neuen Physik drastisch mit der untersuchten Art der Neutrinomassen. In Teil II untersuchen wir verschiedene Aspekte der Symmetriebrechung in EFTs von axionartigen Teilchen (ALPs). Wegen ihrer pseudo-Nambu–Goldstone-Natur ist eine wesentliche Eigenschaft der ALPs ihre Shiftsymmetrie (ShS). Wir formulieren flavourinvariante Ordnungsparameter der ShS, die das Powercounting der EFT führender Ordnung bei einer leicht gebrochenen ShS korrekt implementieren lassen. Mit der Hilbertreihe zählen wir die Anzahl der Operatoren, die in der ALP EFT mit und ohne ShS oberhalb und unterhalb der elektroschwachen Skala auftreten, womit wir Operatorbasen konstruieren, die Beziehungen der ShS auf höhere Ordnung verallgemeinern und die CP-verletzenden Flavourinvarianten führender Ordnung konstruieren. Die Axionlösung des starken CP-Problems kann durch neue CP-Verletzung im Ultravioletten durch kleine Instantonen gestört werden. Mit einer SMEFT-Parametrisierung der neuen CP-Verletzung zeigen wir, dass neu konstruierte CP-verletzende SMEFT-Flavourinvarianten explizit in den Instantonberechnungen auftauchen und zur Systematisierung der Berechnungen verwendet werden können, wodurch wir bessere Limits für kleine Instanton- und Flavourszenarien ableiten. / In this thesis, we use flavour invariants to systematically study solutions to problems of the Standard Model (SM) of particle physics with different effective field theories (EFTs). In Part I, we study Charge–Parity (CP) violation in the SM and SM EFT extended with light sterile neutrinos. We construct the generating set of flavour invariants in the νSM allowing us to express any observable as a polynomial of those invariants. In addition, the invariants enable us to express the conditions for CP violation in a flavour-invariant way. We extend the results to the EFT interactions with different scenarios for the neutrino masses. Here, the form of the EFT flavour invariants and their suppression with the scale of new physics changes drastically depending on the nature of the neutrino masses. In Part II, we study different aspects of symmetry breaking in the EFTs of axionlike particles (ALPs). An essential property of ALPs is their shift symmetry (ShS) due to their pseudo-Nambu–Goldstone nature. We formulate flavour-invariant order parameters of ShS, which allow us to properly impose the power counting of the leading order EFT in the presence of a softly broken ShS. Using the Hilbert series, we count the number of operators appearing in the ALP EFT with and without a ShS above and below the electroweak scale. We use this information to construct operator bases, generalise the relations imposing ShS to higher orders and construct the leading order CP-odd flavour invariants. The axion solution to the strong CP problem can be spoiled by new CP violation in the ultraviolet in the presence of small instantons. Parameterising the new CP violation in the SMEFT, we show that newly constructed CP-odd SMEFT flavour invariants, featuring the strong CP angle, explicitly appear in the instanton computations and vice-versa that they can be used to systematise the computations. Using these results, we derive bounds on different small instanton and SMEFT flavour scenarios.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à certains aspects concernant les phénomènes hadroniques à basse énergie sous 1 GeV, en dessous de laquelle la symétrie chirale de la Chromodynamique Quantique (QCD) est spontanément brisée. En dessous de cette échelle d'énergie, le spectre de QCD se réduit à un octet de mésons légers pseudo-scalaires (π, K and η). Mais à cause du confinement, QCD sous 1 GeV devient hautement non perturbative – il n'est donc plus possible de décrire à basse énergie la dynamique de ces mésons en termes de gluons et de quarks (ici seuls les quarks légers u, d et s sont concernés). Deux alternatives principales à cet obstacle majeur existent néanmoins: la QCD sur réseau ainsi que les Théories Effectives des Champs. La QCD sur réseau consiste à calculer de manière numériques les diverses observables hadroniques, alors que les théories effectives permettent de nouveau une approche analytique (et perturbative) adaptée à une échelle d'énergie donnée. Dans le cas de QCD à basse énergie, c'est la Théorie Chirale des Perturbations (ChiPT) qui joue le rôle de théorie effective. Cette théorie peut être construite à partir de deux saveurs de quarks légers (u et s) ou trois (u,d, et s). Il est alors possible d'utiliser certains résultats de calculs sur réseau (ainsi que certains résultats expérimentaux) afin d'extraire des valeurs numériques pour les divers paramètres libres que contient la théorie chirale. Il fut néanmoins observé que le développement en séries chirales de quelques observables hadroniques sont numériquement “malades” dans le cadre de la théorie à trois saveurs. En effet, des travaux antérieurs montrent qu'il pourrait exister une possible compétition numérique entre l'Ordre Dominant (LO) et l'Ordre Sous-Dominant (NLO): en place de la hiérarchie usuelle LO>>NLO, l'équivalence LO~NLO prévalerait. La partie principale de la thèse consiste ainsi à la description et l'utilisation d'une version alternative de ChiPT, nommée Théorie Chirale des Perturbations Ressommée (ReChiPT ). Quelques observables hadroniques de basse energie sont calculées puis étudiées dans ce cadre “ressommé”, puis nous procédons à l'ajustement de certaines données de QCD sur réseau obtenues par des simulations à 2+1 quarks dynamiques sur ces observables exprimées en ReChiPT: les constantes de désintégrations et les masses de l'octet (π, K, η), ainsi que les facteurs de forme Kl3. Nous testons ensuite la validité de notre assertion concernant la possible compétition numérique observée dans les séries chirales. Enfin, dans la dernière partie, nous discutons plusieurs aspects analytiques et numériques concernant certaines quantités topologiques liées de manière intrinsèque à la très complexe structure du vide de QCD, dans le cadre de ChiPT (ressommé), et nous confrontons de nouveau cette étude à des données réseau 2+1. / In this thesis, we focus on some aspects concerning hadronic phenomena at low energy, below 1 GeV, under which the spontaneous breaking of chiral symmetry takes place. Under this scale, the spectrum of Quantum Chromodynamics reduces to an octet of light pseudo-scalar mesons (π, K and η). But because of the confinement property, QCD under 1 GeV is highly non-perturbative, it is thus not possible to describe at low energy the dynamics of these mesons in terms of gluons and quarks (in that case the three light quarks u,d, and s). Two main alternatives exist to circumvent this major obstacle: Lattice QCD and Effective Field Theories. Lattice QCD is concerned with the numerical computations of various hadronic observables, while Effective Field Theories correspond to analytical frameworks adapted to a particular energy scale. In the case of QCD at low energy, this role is devoted to Chiral Perturbation Theory (ChiPT). This theory can be built either from two quark flavours (u and d), or three (u,d, and s). Using the numerical results from Lattice QCD, it is possible to obtain numerical values for the unknown parameters that ChPT contains. It was however observed that the series expansions of hadronic observables stemming from ChiPT calculations do not “behave well” numerically in the three-flavour case. Indeed, previous works shown that there could exists at the numerical level a competition between the Leading and the Next-to- Leading order (LO and NLO); i.e., instead of the usually expected hierarchy LO>>NLO, one would have LO~NLO. The main part of the thesis work consists in the description and the use of a modified version of ChiPT allowing this numerical competition in the chiral series that was called “Resummed ChiPT”. Within this “Resummed” framework, we proceed to fitting data from 2+1 lattice calculations to hadronic observables computed in ChiPT: decay constants and masses of π, K and η, and Kl3 form factors, and check the consistency of our claim about the numerical competition in ChiPT expansions. In the last part, we discuss topological quantities that are intrinsically tied to the very complex structure of the QCD vacuum, in the (resummed) ChiPT framework and in the light of 2+1 lattice data, in their analytical and numerical aspects.

Cette thèse est dédiée à l’étude des désintégrations B0 s → φγ au LHCb afin de mesurer la polarisation du photon . Au niveau des quarks, ces désintégrations procèdent via une transition pingouin b→ sγ et sont sensibles aux éventuelles contributions virtuelles de Nouvelle Physique. La mesure de la polarisation du photon permet de tester la structure V – A du couplage du Modèle Standard dans les processus des diagrammes de boucles de pingouin. Cette mesure peut être réalisée en étudiant le taux de désintégration dépendant du temps des mésons B. Une analyse délicate a été faite pour comprendre la distribution du temps propre et l’acceptance de sélection qui affecte cette distribution. Afin de contrôler l’acceptance de temps propre, des méthodes basées sur les données ont été développées. Plusieurs stratégies utilisées dans la mesure de la polarisation des photons sont introduites et des résultats préliminaires sont présentés. De plus, une étude de certains effets systématiques est discutée. Dans le cadre de l’étude des désintégrations radiatives, une nouvelle procédure d’identification de photons a été développée et nous avons fourni un outil pour calibrer la performance de la variable de séparation photon/pion neutre sur la simulation. Ces outils sont d’intérêt général pour la collaboration LHCb et sont largement utilisés. / This thesis is dedicated to the study of the photon polarization in B0 s → φγ decays at LHCb. At the quark level, such decays proceed via a b→ sγ penguin transition and are sensitive to possible virtual contributions from New Physics. The measurement of the photon polarization stands also as a test of the V – A structure of the Standard Model coupling in the processes mediated by loop penguin diagrams. The measurement of the photon polarization can be done through a study of the time-dependent decay rate of the B meson. A delicate treatment has been done to understand the proper time distribution and the selection acceptance affecting it. To control the proper time acceptance, data driven control methods have been developed. Several possible strategies to measure the photon polarization are introduced and preliminary blinded results are presented. A study of some of the systematic effects is discussed. In the context of studying radiative decays, the author has developed a new photon identification procedure and has provided a tool to calibrate the performance of the photon/neutral pion separation variable on simulation. Those tools are of general interest for the LHCb collaboration and are widely used.