Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Construções). Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2011

Partículas massivas fracamente interagentes (WIMPs) são um dos mais atrativos candidatos para a matéria escura. Tais partículas são também muito promissoras em termos de detecção direta e indireta, pois elas devem possuir alguma conexão com as partículas do Modelo Padrão. Nesse contexto, extensões do Modelo Padrão podem introduzir candidatos para essas partículas de matéria escura. Propomos um modelo de extensão dupla para descrever as WIMPs, também chamadas de partículas escuras. Essa extensão é feita adicionando dois grupos de simetrias de calibre U(1) ao Modelo Padrão, um via mecanismo de Stueckelberg e o outro via mecanismo de Higgs. O mecanismo de Stueckelberg é um dos caminhos para garantir a invariância de calibre em bósons vetoriais massivos. Então, obtemos dois novos bósons de calibre, um chamado Z′ que é massivo e o outro γ′ (fóton escuro), que não possui massa e não interage com partículas do Modelo Padrão. A densidade de relíquia obtida experimentalmente pelas sondas espaciais WMAP e Planck auxilia na obtenção do valor mais provável para a massa do WIMP e, assim, podemos fixar outros parâmetros importantes para o modelo. Fazemos uma estimativa do impacto da presença de matéria escura e, principalmente, da emissão de fótons escuros no resfriamento de anãs brancas e de estrelas de nêutrons. Alguns resultados e perspectivas são apresentados. / Weakly interacting massive particles (WIMPs) are one of the most attractive candidates for dark matter. Such particles also are very promising in terms of direct and indirect detection, because they must have some connection to Standard Model (SM) particles. In this context, extensions of the SM can introduce candidates for these dark matter particles. In this sense, we propose a double extension model to describe the weakly interacting massive particles (WIMPs) or sometimes called dark particles. This extension is done by adding two extra U(1) gauge groups to the Standard Model, one via Stueckelberg mechanism and the other via Higgs mechanism. The Stueckelberg mechanism is one of the ways to ensure gauge invariance . Then we get two new gauge bosons, one called Z′ which is massive and the other γ′ (dark photon), which is massless and does not interact with the Standard Model particles. The relic density experimentally obtained by the WMAP and Planck spacecrafts will help in getting the most likely value for the mass of the WIMP and we can thus set other important parameters for the model. We estimate the impact of the presence of dark matter, and especially dark photon emission, in the cooling of white dwarfs and neutron stars. Some results and perspectives are presented.

Orientador: Eduardo Pontón Bayona / Banca: Enrico Bertuzzo / Banca: Ricardo D'Elia Matheus / Resumo: O problema da matéria escura é uma das questões abertas da cosmologia e da física de partículas. Inúmeras observações, em diferentes escalas astronômicas, sustentam que a quantidade de matéria luminosa presente não é capaz de explicar o comportamento observado. A solução para esta inconsistência foi obtida através da introdução de uma nova forma de matéria que, não interagindo com a luz, foi intitulada por matéria escura. O Modelo Padrão da Cosmologia indica que esta componente contribui com mais de 80% da densidade de matéria no Universo, deve ser estável, não relativística e sua densidade relíquia deve combinar com as medidas obtidas pelas flutuações da CMB. Apesar disso, a natureza da matéria escura ainda é um mistério. Entre as partículas candidatas à matéria escura os mais populares são os chamados WIMPs. Esta espécie é considerada uma relíquia térmica e podem fornecer uma abundância compatível com a observada. Nesta direção, o presente trabalho então, trata uma extensão do Modelo Padrão da Física de Partículas, uma vez que este modelo não fornece nenhuma partícula apropriada à matéria escura, chamada Modelo do Dubleto Inerte, que é obtido adicionando um novo dubleto escalar por meio de uma simetria Z_2 que desenvolve uma configuração de vácuo trivial. Dentro do novo espectro de partículas estudamos aquela que parece propor um candidato viável à matéria escura. / Abstract: Abstract: The problem of dark matter is one of the open questions of cosmology and particle physics. Several observations, at di erent astronomical scales, maintain that the amount of light matter present is not able to explain the observed behavior. The solution to this inconsistency was obtained by introducing a new form of matter which, not interacting with light, was titled as dark matter. The Standard Model of Cosmology indicates that this component contributes with more than 80% of the matter density in the Universe, must be stable, non relativistic and its relic density should match with the measurements obtained by the uctuations of the CMB. Despite this, the nature of dark matter is still a mystery. Among the candidate particles for dark matter the most popular are the so-called WIMPs. This species is considered a thermal relic and can provide an abundance compatible with that observed. In this direction, the present work then deals with an extension of the Standard Model of Particle Physics, since this model does not provide any particle appropriate to dark matter, called Inert Doublet Model, which is obtained by adding a new scalar doublet through a Z2 symmetry that develops a trivial vacuum con guration. Inside this new spectrum of particles we study the one that seems to propose a viable candidate to the dark matter / Mestre

Partículas massivas fracamente interagentes (WIMPs) são um dos mais atrativos candidatos para a matéria escura. Tais partículas são também muito promissoras em termos de detecção direta e indireta, pois elas devem possuir alguma conexão com as partículas do Modelo Padrão. Nesse contexto, extensões do Modelo Padrão podem introduzir candidatos para essas partículas de matéria escura. Propomos um modelo de extensão dupla para descrever as WIMPs, também chamadas de partículas escuras. Essa extensão é feita adicionando dois grupos de simetrias de calibre U(1) ao Modelo Padrão, um via mecanismo de Stueckelberg e o outro via mecanismo de Higgs. O mecanismo de Stueckelberg é um dos caminhos para garantir a invariância de calibre em bósons vetoriais massivos. Então, obtemos dois novos bósons de calibre, um chamado Z′ que é massivo e o outro γ′ (fóton escuro), que não possui massa e não interage com partículas do Modelo Padrão. A densidade de relíquia obtida experimentalmente pelas sondas espaciais WMAP e Planck auxilia na obtenção do valor mais provável para a massa do WIMP e, assim, podemos fixar outros parâmetros importantes para o modelo. Fazemos uma estimativa do impacto da presença de matéria escura e, principalmente, da emissão de fótons escuros no resfriamento de anãs brancas e de estrelas de nêutrons. Alguns resultados e perspectivas são apresentados. / Weakly interacting massive particles (WIMPs) are one of the most attractive candidates for dark matter. Such particles also are very promising in terms of direct and indirect detection, because they must have some connection to Standard Model (SM) particles. In this context, extensions of the SM can introduce candidates for these dark matter particles. In this sense, we propose a double extension model to describe the weakly interacting massive particles (WIMPs) or sometimes called dark particles. This extension is done by adding two extra U(1) gauge groups to the Standard Model, one via Stueckelberg mechanism and the other via Higgs mechanism. The Stueckelberg mechanism is one of the ways to ensure gauge invariance . Then we get two new gauge bosons, one called Z′ which is massive and the other γ′ (dark photon), which is massless and does not interact with the Standard Model particles. The relic density experimentally obtained by the WMAP and Planck spacecrafts will help in getting the most likely value for the mass of the WIMP and we can thus set other important parameters for the model. We estimate the impact of the presence of dark matter, and especially dark photon emission, in the cooling of white dwarfs and neutron stars. Some results and perspectives are presented.

Partículas massivas fracamente interagentes (WIMPs) são um dos mais atrativos candidatos para a matéria escura. Tais partículas são também muito promissoras em termos de detecção direta e indireta, pois elas devem possuir alguma conexão com as partículas do Modelo Padrão. Nesse contexto, extensões do Modelo Padrão podem introduzir candidatos para essas partículas de matéria escura. Propomos um modelo de extensão dupla para descrever as WIMPs, também chamadas de partículas escuras. Essa extensão é feita adicionando dois grupos de simetrias de calibre U(1) ao Modelo Padrão, um via mecanismo de Stueckelberg e o outro via mecanismo de Higgs. O mecanismo de Stueckelberg é um dos caminhos para garantir a invariância de calibre em bósons vetoriais massivos. Então, obtemos dois novos bósons de calibre, um chamado Z′ que é massivo e o outro γ′ (fóton escuro), que não possui massa e não interage com partículas do Modelo Padrão. A densidade de relíquia obtida experimentalmente pelas sondas espaciais WMAP e Planck auxilia na obtenção do valor mais provável para a massa do WIMP e, assim, podemos fixar outros parâmetros importantes para o modelo. Fazemos uma estimativa do impacto da presença de matéria escura e, principalmente, da emissão de fótons escuros no resfriamento de anãs brancas e de estrelas de nêutrons. Alguns resultados e perspectivas são apresentados. / Weakly interacting massive particles (WIMPs) are one of the most attractive candidates for dark matter. Such particles also are very promising in terms of direct and indirect detection, because they must have some connection to Standard Model (SM) particles. In this context, extensions of the SM can introduce candidates for these dark matter particles. In this sense, we propose a double extension model to describe the weakly interacting massive particles (WIMPs) or sometimes called dark particles. This extension is done by adding two extra U(1) gauge groups to the Standard Model, one via Stueckelberg mechanism and the other via Higgs mechanism. The Stueckelberg mechanism is one of the ways to ensure gauge invariance . Then we get two new gauge bosons, one called Z′ which is massive and the other γ′ (dark photon), which is massless and does not interact with the Standard Model particles. The relic density experimentally obtained by the WMAP and Planck spacecrafts will help in getting the most likely value for the mass of the WIMP and we can thus set other important parameters for the model. We estimate the impact of the presence of dark matter, and especially dark photon emission, in the cooling of white dwarfs and neutron stars. Some results and perspectives are presented.

O objetivo desta dissertação é estudar teorias que utilizam dimensões extras para explicar os problemas que surgem no Modelo Padrão quando a energia atinge valores muito altos chegando à ordem TeV. Trabalhamos especificamente com modelos com mais de 4 dimensões, onde as dimensões extras são espaciais e compactificadas com o procedimento S1/Z2. Sabemos que o Modelo Padrão é consistente com todos os dados experimentais que medimos até hoje, mas existem muitas razões para esperarmos nova física na escala TeV. Iniciamos o trabalho apresentando os aspectos mais importantes do Modelo Padrão. Seguimos especificando alguns problemas que surgem no Modelo Padrão no limite para altas energias que resultaram na motivação para a criação de Teorias Além do Modelo Padrão. Explicitamos alguns de seus problemas, mas entramos em detalhes no estudo de dois principais: o Problema da Hierarquia e o Problema de Massa dos Férmions. Em seguida, definimos os três tipos de teorias que utilizam dimensões extras para solucionar o Problema da Hierarquia e as apresentamos na ordem em que foram idealizadas. As duas primeiras, denominadas \"Large Extra Dimensions\" (LED) e \"Universal Extra Dimensions\" (UED) utilizam uma métrica plana do espaço-tempo total e são diferentes na definição da propagação dos campos em determinadas dimensões. A \"Warped Extra Dimensions\" (WED) utiliza uma uma métrica curva do espaço-tempo 5-dimensional e soluciona o Problema da Hierarquia de maneira diferenciada. Para finalizar definimos especificamente uma teoria WED e calculamos sua correspondência em uma teoria 4-dimensional. Através desta teoria efetiva, estudamos sua fenomenologia no Large Hadron Collider (LHC) e mostramos como ela se relaciona com a origem dos sabores fermiônicos. Como consequência, mostramos que o Problema de Massa dos Férmions é naturalmente solucionado, e propomos um sinal experimental para testar este aspecto da teoria no LHC. / The goal of this dissertation is to study theories that use extra dimensions to solve the problems that appear in the Standard Model at energies of the order 1 TeV. Specifically, we worked with models with more than 4 dimensions, where the spatial dimensions are compactified in an S1/Z2 orbifold. The Standard Model agrees to a great degree with the experimental data we have today but there are several reasons to expect new physics at the TeV scale. We start presenting the most important aspects of the Standard Model. We then specify some of the problems that appear at high energies (higher than the weak scale) and that are the motivation to consider theories beyond the Standard Model. We focus on two such problems: the hierarchy problem and the origin of the fermion masses. We present three types of theories using extra dimensions to address the hierarchy problem. The first two, Large Extra Dimensions (LED) and Universal Extra Dimensions (UED) use a flat metric and only differ on the fields that are allowed to propagate in the extra dimensions. Warped Extra Dimensions (WED) use a curved metric to solve the hierarchy problem in a unique way. Within a WED setup, we study the resulting four-dimensional effective theory. This theories naturally explain the hierarchy of fermion masses. Within this effective theory, we study the phenomenology at the LHC as it relates to the origin of flavor. In particular, we propose a signal that can test this important aspect of the theory.

O objetivo desta dissertação é estudar teorias que utilizam dimensões extras para explicar os problemas que surgem no Modelo Padrão quando a energia atinge valores muito altos chegando à ordem TeV. Trabalhamos especificamente com modelos com mais de 4 dimensões, onde as dimensões extras são espaciais e compactificadas com o procedimento S1/Z2. Sabemos que o Modelo Padrão é consistente com todos os dados experimentais que medimos até hoje, mas existem muitas razões para esperarmos nova física na escala TeV. Iniciamos o trabalho apresentando os aspectos mais importantes do Modelo Padrão. Seguimos especificando alguns problemas que surgem no Modelo Padrão no limite para altas energias que resultaram na motivação para a criação de Teorias Além do Modelo Padrão. Explicitamos alguns de seus problemas, mas entramos em detalhes no estudo de dois principais: o Problema da Hierarquia e o Problema de Massa dos Férmions. Em seguida, definimos os três tipos de teorias que utilizam dimensões extras para solucionar o Problema da Hierarquia e as apresentamos na ordem em que foram idealizadas. As duas primeiras, denominadas \"Large Extra Dimensions\" (LED) e \"Universal Extra Dimensions\" (UED) utilizam uma métrica plana do espaço-tempo total e são diferentes na definição da propagação dos campos em determinadas dimensões. A \"Warped Extra Dimensions\" (WED) utiliza uma uma métrica curva do espaço-tempo 5-dimensional e soluciona o Problema da Hierarquia de maneira diferenciada. Para finalizar definimos especificamente uma teoria WED e calculamos sua correspondência em uma teoria 4-dimensional. Através desta teoria efetiva, estudamos sua fenomenologia no Large Hadron Collider (LHC) e mostramos como ela se relaciona com a origem dos sabores fermiônicos. Como consequência, mostramos que o Problema de Massa dos Férmions é naturalmente solucionado, e propomos um sinal experimental para testar este aspecto da teoria no LHC. / The goal of this dissertation is to study theories that use extra dimensions to solve the problems that appear in the Standard Model at energies of the order 1 TeV. Specifically, we worked with models with more than 4 dimensions, where the spatial dimensions are compactified in an S1/Z2 orbifold. The Standard Model agrees to a great degree with the experimental data we have today but there are several reasons to expect new physics at the TeV scale. We start presenting the most important aspects of the Standard Model. We then specify some of the problems that appear at high energies (higher than the weak scale) and that are the motivation to consider theories beyond the Standard Model. We focus on two such problems: the hierarchy problem and the origin of the fermion masses. We present three types of theories using extra dimensions to address the hierarchy problem. The first two, Large Extra Dimensions (LED) and Universal Extra Dimensions (UED) use a flat metric and only differ on the fields that are allowed to propagate in the extra dimensions. Warped Extra Dimensions (WED) use a curved metric to solve the hierarchy problem in a unique way. Within a WED setup, we study the resulting four-dimensional effective theory. This theories naturally explain the hierarchy of fermion masses. Within this effective theory, we study the phenomenology at the LHC as it relates to the origin of flavor. In particular, we propose a signal that can test this important aspect of the theory.

Orientador: Eduardo Pontón Bayona / Banca: Gustavo Alberto Burdman / Banca: Rogério Rosenfeld / Resumo: O problema da hierarquia no Modelo Padrão surge devido à presença de divergências quadráticas provenientes de correções quânticas ao parâmetro de massa do bóson de Higgs. O presente trabalho trata sobre um recurso conhecido como Supersimetria Dobrada (Folded Supersymmetry), que pode ser usado para construir extensões do Modelo Padrão que estejam livres dessas divergências. Dado que a contribuição do top quark é a mais significativa, este trabalho se propõe centralizar nele demonstrando que o cancelamento é possivel mediante um parceiro do top quark de spin oposto e carga de cor diferente ao da particula top. Deve-se notar a diferencia com as teorias supersimétricas, onde o parceiro, apesar de ter spin oposto, necessariamente possui a mesma carga de cor. Finalmente, construimos uma teoria com uma dimensãao espacial extra que serve como UV Completion para explicar a origem dos cancelamentos à energias maiores / Abstract: The hierarchy problem in the Standard Model arises due to the presence of quadratic divergences coming from loop corrections to the mass parameter of the Higgs boson. The present work reviews a tool known as Folded Supersymmetry that can be used to build Standard Model extensions which are free of those divergences. Since the top quark contribution is the most significant, this dissertation focuses on it showing that it is possible to cancel it out with a top quark partner with opposite spin-statistics and the same color charge as the top particle. We must note the difference with supersymmetric theories where the partner (superpartner), despite having opposite spin-statistics, necessarily has the same color charge. Finally, we construct a suitable UV completion in a 5-dimensional spacetime for the folded supersymmetric theory that explains the origin of the cancellations at higher energies / Mestre

Orientador: Rogério Rosenfeld / Coorientador: Alberto Tonero / Banca: Ricardo D'Elia Matheus / Banca: Enrico Bertuzzo / Abstract: The main goal of this dissertation is to show the enhancement of the cross-section for the double Higgs production through pair annihilation by including effective interactions and through the non-perturbative Sommerfeld effect. Bounds to some Wilson coefficients were obtained from such enhancement, this in the scenarios of the future e+ e− -colliders (FCC-ee, ILC, CLIC). In order to achieve this, some computational tools were implemented: FeynRules, FeynArts, FormCalc, and LoopTools. It is also shown the enhancement of the double Higgs production in 2HDM and MSSM, discussing the general framework of these two models. In addition, it is studied the threshold behavior of the cross-section for the double Higgs production when a hidden sector couples to the Higgs boson, yielding resonances below the threshold energy due to non-perturbative effects. We study the Sommerfeld effect in the double Higgs production in the scenario of e+ e− -colliders. The enhancement is discussed as generated from a hidden sector coupled to the Higgs boson. Below and above threshold enhancements are presented. Such analysis is of importance in the ILC project, which will operate up to the threshold energy √s = 250 GeV. The results has been achieved by the use of computational tools like FeynArts, FormCalc, and LoopTools / Resumo: O objetivo principal dessa dissertação é, mostrar o aprimoramento da seção de choque para a produção em dobro dos bósons de Higgs, por meio de aniquilação de pares, incluindo interações efetivas e através do efeito não perturbativo de Sommerfeld. De tais aprimoramentos, os limites para alguns coeficientes de Wilson foram obtidos, isso nos cenários de futuros aceleradores de e+e- (FCC-ee, ILC, CLIC). Para atingir estes resultados, algumas ferramentas computacionais foram implementadas: FeynRules, FeynArts, FormCalc e LoopTools. Também, é mostrado o aprimoramento da produção em dobro de bósons de Higgs no "2HDM" e "MSSM", discutindo o marco geral desses dois modelos. Além disso, foi estudado o comportamento, perto do limite de produção, da seção de choque da produção em dobro dos bósons de Higgs, quando um setor escondido é acoplado ao Higgs, produzindo ressonâncias abaixo da energia limite de produção, devido à efeitos não perturbativos / Mestre

Made available in DSpace on 2015-09-17T15:24:26Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2014-06-03. Added 1 bitstream(s) on 2015-09-17T15:47:50Z : No. of bitstreams: 1 000837676.pdf: 5906522 bytes, checksum: 4d7d813fa9837e6b5a068271f434ec38 (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / No Modelo Padrão que descreve a física das partículas elementares e suas interações o campo de Higgs pode ser imaginado como um campo composto formado por uma força forte ainda desconhecida. Tal hípótese é bastante atrativa para completar o Modelo Padrão a altas energias. Problemas como hierarquia e naturalidade podem ser mais facilmente evitados. No contexto de uma força forte porém métodos de cálculo baseados em expansões perturbativas não tem mais validade. Uma alternativa para entender as propriedades básicas desse tipo de teoria é trabalhar em termos de teorias de gravitacão com dimensões extras. Nesta tese focamos no caso de uma dimensão espacial extra. Características genéricas desse tipo de cenário são a existência de partículas de gravidade massivas, associadas com a métrica penta-dimensional que acopla com o Modelo Padrão para matéria, levando a assinaturas diretas em colisores de partículas (como o LHC no CERN). Tais partículas de gravidade se acoplam com o setor de Higgs. A descoberta do bóson de higgs abriu um novo camp o de investigação para sua detecção direta, no estado final com dois bósons de higgs. Nós usamos técnicas de Monte Carlo para estudar as estratégias de análise que levariam a um melhor reconhecimento de novas ressonâncias que decaem em pares de bósons de higgs em colisores hadrônicos, que podem ser interpretadas como partículas de gravidade massivas. Finalmente apresentamos as buscas experimentais por tais ressonâncias realizadas no contexto do experimento CMS com dados retirados do primeiro run do LHC (com uma energia de centro de massa de 8 TeV) / The Higgs field of the Standard Model theory for elementary particles and interactions can be realized as a composite state from an underlying strong sector. Such hypothesis is very attractive as an ultraviolet completion of the Standard Model since it solves the hierarchy and avoids naturalness problems. The standard perturbative methods cannot be used in the context of strongly interacting theories, however thyose can be broadly describes in terms of extra dimensional models of gravity. We focus on the case of one additional Warped compact Extra Dimension (WED). The generic signatures of this scenario are the manifestation of heavy gravity particles, associated with the five dimensional metric, that couples with the Standard Model matter leading to direct collider signatures. The heavy gravity particles couples to the Higgs sector. The Higgs discovery had oponed a new investigation channel to LHC direct detection that is the di-higgs final state. We use Monte Carlo techniques to study the analysis strategies that would lead to a best recognition of new resonances decaying to a pair of higgses in hadron colliders, that can be interprets as the gravity particles. We finally present resonance searches performed with data taken by the CMS experiment on the 8 TeV LHC run. The results are interpreted as the gravity particles signatures in the WED context / CNPq: 141964/2009-0