Non-resonant phenomena beyond the standard model in top-quark processes

Faroughy Carías, Darius Alexander (author), Kamenik, Jernej (mentor)

In this dissertation we analyze different non-resonant manifestations of physics beyond the Standard Model in the top-quark sector. We do this from a bottom up approach by proposing new observables and new search strategies for top-quark processes. By exploiting the different kinematical regimes of multi-resonance production at hadron colliders, we introduce a set of idealized cross-sections to characterize non-resonant New Physics (NP). We use these observables to study $pp \to t\bar{t}h$ production at the LHC and show how different effective operators of dimension-6 can be disentangled at the HL-LHC. Physics beyond the SM coupling exclusively to top-quarks is challenging to measure at the LHC, in particular, if the effects are not resonant. To address this we propose a complete search strategy for measuring SM rare $pp \to t\bar{t}t\bar{t}$ production at the 13 TeV LHC in the same-sign dilepton and the trilepton decay channels. We produce bounds demonstrating that a $3\sigma$ evidence measurement of $\sigma_{SM}(pp \to t\bar{t}t\bar{t})$ is accessible during Run-II and that a $5\sigma$ discovery of this process in the SM is possible. We also set limits on non-resonant BSM physics, in particular on the couplings of a top-philic mediator with masses below the top-pair production threshold. We argue that it is possible to have a UV completion for which $pp \to t\bar{t}t\bar{t}$ is a very powerful probe. Finally, we explore the possibility of top-philic NP producing deviations in $B$-meson decays. Inspired by the current deviations from lepton flavor universality in $b \to s\ell^+\ell^-$ at LHCb, we present an explanation based on top-philic NP. After analyzing the $B$-anomaly using effective theories, we classify all potential top-philic mediators and single out a Z’ and a two-leptoquark model $(\widetilde{U}_1 \sim (\bf{3},\bf{1},\rm{5/3})$ and $R_2 \sim (\bf{3},\bf{2},\rm{7/6}))$. We analyze these simplified models at the LHC and show that it can probe the relevant regions of parameter space. In the end, we construct a simple class of UV model living at the TeV scale that give rise to vector leptoquarks (that are SU(2)$_L$ singlets) as gauge bosons of SU(4) extensions of the SM. We use this construction to provide a UV complete model for the $\widetilde{U}_1$ and $R_2$ leptoquarks entering $b \to s$ transitions at the one-loop level.

• Language: English
• Keywords: beyond the standard model, top-quarks, collider physics, LHC, non-resonant new physics, new physics in top quark physics, effective eld theory, simplifed models, B-anomalies, lepton flavor universality violation, leptoquarks, UV models.
• Work type: Doctoral dissertation
• Typology: 2.08 - Doctoral Dissertation
• Organization: FMF - Faculty of Mathematics and Physics
• Year: 2019
• PID: 20.500.12556/RUL-108587
• COBISS.SI-ID: 3322980
• Publication date in RUL: 08.07.2019

Secondary language

• Language: Slovenian
• Title: Neresonančni pojavi izven standardnega modela v procesih s kvarkom t

Abstract

V tej disertaciji analiziramo različne ne-resonantne manifestacije fizike zunaj Standardnega Modela, natančneje, v sektorju kvarka $t$. Tega se lotimo iz smeri od konca proti začetku, tako da predlagamo nove opazljivke in nove iskalne strategije za iskanje procesov s kvarki $t$. Z izkoriščanjem različnih kinematičnih območij več-resonančnih stanj, ki so ustvarjena pri hadronskih trkalnihih, uvedemo množico idealiziranih sipalnih presekov, zato da opišemo ne-resonančne procese nove fizike. Te opazljivke uporabimo za študijo produkcije $pp \to t\bar{t}h$ na trkalniku LHC in da pokažemo kako se lahko različni efektivni operatorji dimenzije 6 razpletejo pri HL-LHC. Fiziko izven Standardnega modela, ki se sklaplja neposredno s kvarki $t$, je težko izmeriti na trkalniku LHC, še posebej, če efekti niso resonantni. Za obravnavo tega predlagamo kompletno strategijo iskanja za meritev redkih SM procesov $pp \to t\bar{t}t\bar{t}$ pri energiji 13 TeV na trkalniku LHC v enako-nabitem dileptonskem in trileptonskem kanalu. Pokažemo omejitve, ki nakazujejo, da je na LHC Run-II možno dobiti dokaz s signifikanco $3\sigma$ za meritev $\sigma_{SM}(pp \to t\bar{t}t\bar{t})$ in da je možno odkriti ta razpadv SM s signifikanco $5\sigma$. Prav tako nastavimo limite na ne-resonantno fiziko zunaj SM, natančneje za sklopitve $t$-filičnih mediatorjev z maso pod pragom produkcije para kvarkov $t$. Trdimo, da je možnmo imeti UV kompletnost, za katero je proces $pp \to t\bar{t}t\bar{t}$ zelo močno orodje. Nenazadnje raziščemo možnost $t$-filične nove fizike, da povzroči deviacije pri razpadih mezonov $B$. V luči trenutnih deviacij od leptonske univerzalnosti v procesih $b \to s\ell^+\ell^-$ pri LHCb, predstavimo razlago, ki bazira na $t$-filični novi fiziki. Po analizi anomalij pri mezonih $B$ z uporabo efektivnih teorij, klasificiramo vse potencialne $t$-filične mediatorje in izmed njih izločimo Z’ in dvo-leptokvarkovski model $(\widetilde{U}_1 \sim (\bf{3},\bf{1},\rm{5/3})$ in $R_2 \sim (\bf{3},\bf{2},\rm{7/6}))$. Te poenostavljene modele analiziramo na LHC in pokažemo, da lahko testirajo relevantna območja faznega prostora parametrov. Na koncu skonstruiramo enostaven razred UV modelov, ki živijo na skali reda velikosti TeV in predstavijo vektorske leptokvarke (ki so SU(2)$_L$ singleti) kot umeritvene bozone SU(4) razširitve SM. Ta konstrukt uporabimo zato, da priskrbimo kompleten UV model za leptokvarke $\widetilde{U}_1$ in $R_2$, ki vstopajo v prehode $b \to s$ na eno-zančnem nivoju.

• Keywords: fizika izven standardnega modela, top kvarki, fizika trkalnikov, LHC, neresonančna nova fizika, nova fizika v fiziki top kvarkov, efektivna teorija polja, poenostavljeni modeli, B-anomalije, kršitev univerzalnosti leptonskega okusa, leptokvarki