Family symmetries and radiative corrections in multi-scalar extensions of the Standard Model

Forskningsoutput: AvhandlingDoktorsavhandling (sammanläggning)

Abstract


Människans vilja att förstå universums mest fundamentala byggstenar och dess naturlagar är den drivkraft som ligger till grund för elementarpartikelfysiken. Den teoretiska forskningen inom detta område vägleds idag till stor del av data från LHC-experimentet utanför Genève (LHC förkortar `Large Hadron Collider', dvs.~den Stora Hadronacceleratorn). Vid LHC accelereras protoner till extremt höga hastigheter varpå de kollideras parvis med varandra. I kollisionerna bildas nya partiklar ur protonernas rörelseenergi tack vare Einsteins berömda ekvation $E=mc^2$ som säger att massa kan konverteras till energi och vice versa, och de nya partiklarnas egenskaper, såsom massa eller elektrisk laddning, kan därefter uppmätas. Vi kan genom detta lära oss mer om redan kända partiklar, samt leta efter nya hittills oupptäckta partiklar.

På grund av den höga energin som uppnås vid LHC rör sig partiklarna med en hastighet som oftast är mycket nära ljusets, vilket betyder att Einsteins speciella relativitetsteori behövs för en korrekt beskrivning av vad som händer i dessa partikelkollisioner. Dessutom sker processer under extremt korta tidsintervall på ofantligt små avstånd vilket medför att kvantmekanik behöver tillämpas. Sammanförandet mellan den speciella relativitetsteorin och kvantmekaniken leder till den s.k.~kvantfältteorin där alla partiklar av en viss sort, t.ex.~elektronen, beskrivs som små vågor, eller kvantexcitationer, av ett och samma elektron\textit{fält} vars utbredning sträcker sig över hela universum.

Den s.k.~standardmodellen är en viss kvantfältteori som på ett elegant och matematiskt konsistent vis beskriver alla hittills detekterade elementarpartiklar (Higgspartikeln blev den sista partikeln i standardmodellen att få sin existens experimentellt bekräftad, vilket skedde år 2012). Med endast ett tjugotal fria parametrar kan forskare med hjälp av standardmodellen framgångsrikt förutsäga resultaten på ofantligt många experimentella mätningar, vilket gör att få idag betvivlar standardmodellens korrekthet.

Genom att bestämma de numeriska värdena på de fria parametrarna i standardmodellen utifrån experimentella mätningar, framgår dock vissa mönster som helt saknar förklaring inom standardmodellen själv. Till exempel finns det tre kopior, eller s.k.~familjer, av varje fermion (t.ex. elektronen) som är helt identiska förutom i hur mycket de väger. Det finns t.ex.~två tyngre, men i övrigt identiska, kopior av elektronen (myonen och tau-partikeln). Orsaken till den hierarkiska struktur som fermionmassorna uppvisar utgör idag ett av standardmodellens stora mysterier.

Standardmodellen innehåller en beskrivning av tre av naturens fyra fundamentala krafter som vi hittills känner till (alla utom gravitationen): den elektromagnetiska kraften, den svaga kraften (vilken bland annat är orsaken till en del radioaktiva sönderfall) samt den starka kraften (vilken bland annat binder samman kvarkarna till protoner och neutroner). I standardmodellen sammanförs den elektromagnetiska kraften med den svaga kraften genom den s.k.~Higgs-mekanismen, vilket visar att dessa två krafter egentligen är ``två sidor av samma mynt'', dvs.~den elektrosvaga kraften. På ett liknande sätt kan hypotetiska storföreningsteorier (eller ``Grand Unified Theories'') sammanföra den elektrosvaga kraften med den starka kraften till en enda fundamental kraft. Två av artiklarna i denna avhandling (artikel II och III) handlar om en viss sorts storföreningsteori, dvs.~den s.k.~trinifieringsteorin, där vi dessutom lägger till en ny hittills outforskad symmetri mellan fermionfamiljerna. Dessa artiklar handlar om hur en del av standardmodellens egenskaper, t.ex.~de hierarkiska fermionmassorna, skulle kunna förklaras av att naturen på väldigt små avstånd (mycket mindre än vad som hittills har utforskats experimentellt) beskrivs av en sådan trinifieringsmodell. Den första artikeln i avhandlingen, artikel I, handlar om ett matematiskt verktyg som kan användas för att förenkla beräkningar av kvantmekaniska effekter i utvidgningar av standardmodellen, såsom modellerna i artikel II och III, där traditionella metoder för att göra dessa beräkningar lätt kan bli onödigt krångliga på grund av det stora antal nya partiklar som ofta ingår i sådana modeller.

Den fjärde och sista artikeln i denna avhandling, artikel IV, handlar om en annan typ av utvidgning av standardmodellen, där existensen av nya Higgsfält postuleras. I standardmodellen finns nämligen bara ett Higgsfält, men i modellen i artikel IV finns tre familjer av Higgsfält, liknande de tre familjerna av fermioner. Genom att lägga till fler Higgsfält kan man också lägga till familjesymmetrier som i sin tur gör en del av standardmodellens strukturer mindre godtyckliga. I artikel IV föreslår vi också en metod som experimentalister skulle kunna använda sig av för att leta efter den lättaste av de nya elektriskt laddade Higgspartiklarna som denna modell förutsäger.

Detaljer

Författare
  • Jonas Wessén
Enheter & grupper
Forskningsområden

Ämnesklassifikation (UKÄ) – OBLIGATORISK

  • Subatomär fysik

Nyckelord

Originalspråkengelska
KvalifikationDoktor
Tilldelande institution
Handledare/Biträdande handledare
Tilldelningsdatum2018 maj 18
UtgivningsortLund
Förlag
  • Lund University, Faculty of Science, Department of Astronomy and Theoretical Physics
Tryckta ISBN978-91-7753-671-0
Elektroniska ISBN978-91-7753-671-7
StatusPublished - 2018
PublikationskategoriForskning

Nedladdningar

Ingen tillgänglig data

Relaterad forskningsoutput

Camargo-Molina, J. E., Mandal, T., Roman Pasechnik & Wessén, J., 2018 mar 1, I : Journal of High Energy Physics. 2018, 3, 24.

Forskningsoutput: TidskriftsbidragArtikel i vetenskaplig tidskrift

Camargo-Molina, J. E., Morais, A. P., Astrid Ordell, Roman Pasechnik, Sampaio, M. O. P. & Wessén, J., 2017 apr 1, I : Physical Review D - Particles, Fields, Gravitation and Cosmology. 95, 7, 075031.

Forskningsoutput: TidskriftsbidragArtikel i vetenskaplig tidskrift

Camargo-Molina, J. E., Morais, A. P., Roman Pasechnik & Wessén, J., 2016 sep 1, I : Journal of High Energy Physics. 2016, 9, 129.

Forskningsoutput: TidskriftsbidragArtikel i vetenskaplig tidskrift

Visa alla (4)