Multi-Higgs and beyond : an odyssey from the vacuum to anomalies

Bernardo Lopes Gonçalves

Key information

Authors:

Bernardo Lopes Gonçalves (Bernardo Lopes Gonçalves)

Supervisors:

Filipe Rafael Joaquim (Filipe Rafael Joaquim); Pedro Miguel Martins Ferreira

Published in

July 26, 2024

Abstract

O Modelo Padrão da física de partículas descreve a estrutura da matéria e as interações fundamentais, cujo conteúdo ficou completo com a observação do bosão de Higgs em 2012, previsto exatamente há 60 anos. Contudo, o puzzle completo permanece por resolver existindo várias indicações de que física para além da teoria padrão é necessária. Nesta tese, exploramos extensões do sector escalar, uma das mais interessantes possibilidades de física para além do Modelo Padrão. Revemos extensões com um singleto extra (real ou complexo), um dubleto complexo ou um tripleto complexo. Extensões com tripletos escalares fornecem um interessante mecanismo para a explicação das massas dos neutrinos. Fazemos uma análise minuciosa da estabilidade do vácuo no modelo com apenas um tripleto complexo, ilustrando a possível ocorrência de mínimos não-físicos. Motivados por possíveis conexões com a violação da simetria carga-paridade no sector leptónico, também exploramos o espectro de massa do modelo com dois tripletos complexos. Se a simetria carga-paridade for quebrada de forma espontânea pelo vácuo, a existência de partículas mais leves do que o bosão de Higgs é inevitável. Considerando extensões com dubletos, construímos um modelo lepton-specific com quatro dubletos, no qual escalares podem ter decaimentos consideráveis para eletrões e muões, em contraste com os típicos decaimentos leptónicos para taus. Finalmente, analisamos duas medições experimentais que continuam a desafiar uma explicação pelo Modelo Padrão. O momento magnético anómalo do muão pode ser explicado no contexto de modelos com dois dubletos de Higgs, mas entra em desacordo com outros constrangimentos experimentais. Mostramos que adicionar leptões vector-like que não se misturam com os leptões do Modelo Padrão pode aliviar este problema. Contudo, surgem problemas com a perturbatividade de certos acoplamentos. De seguida, revisitamos uma das primeiras soluções propostas para as anomalias ATOMKI sob a forma de um novo bosão de gauge cuja carga é a diferença entre os números bariónico e leptónico. Elucidamos as suas várias desvantagens, mesmo após adicionar leptões vector-like. The Standard Model of particle physics describes the structure of matter and fundamental interactions, whose content was complete with the observation of the Higgs boson in 2012, predicted exactly 60 years ago. However, the full puzzle remains unresolved with several indications that physics beyond the standard theory is needed. In this thesis we delve into extensions of the scalar sector, one of the most interesting possibilities of physics beyond the Standard Model. We review extensions with one extra (real or complex) singlet, complex doublet, or complex triplet. Scalar triplet extensions provide an interesting playground for the explanation of neutrino masses. We do a thorough vacuum stability analysis in the model with just one complex triplet, illustrating the possible occurrence of non-physical minima. Propelled by the possible connections with leptonic chargeparity symmetry violation, we also explore the mass spectrum of the model with two complex triplets. If charge-parity is broken spontaneously by the vacuum, the existence of particles lighter than the Higgs boson is unavoidable. Considering doublet extensions, we build a lepton-specific four-doublet model, in which scalars can have substantial decays into electrons and muons, in contrast to the usual leptonic decays into taus. Finally, we look at two experimental measurements that continue to defy a Standard Model explanation. The anomalous magnetic moment of the muon can be accommodated in the framework of two-Higgs-doublet models but it clashes with other experimental constraints. We show that adding vector-like leptons that do not mix with Standard Model leptons can alleviate this issue, but problems with perturbativity arise. We then revisit one of the first solutions put forward to the ATOMKI anomalies in the form of a new gauge boson whose charge is the difference between the baryon and the lepton number. We clarify its several drawbacks, even after adding vector-like leptons.