Estudios fenomenológicos de modelos de nueva física y búsquedas en colisionadores: materia oscura, teorías de gauge anómalas y técnicas basadas en datos

Abstract

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es en la actualidad el experimento con mayor potencial tanto para testear las predicciones del Modelo Estándar (SM) como para realizar búsquedas de nueva física. Tras más de una década de funcionamiento, a pesar de su excelente desempeño, aún no se ha encontrado un indicio que apunte en una dirección concreta más allá del SM. Con la etapa de alta luminosidad en el futuro cercano, y con las diversas propuestas existentes para la próxima generación de colisionadores en el horizonte, surgen muchas direcciones relevantes para explorar en la búsqueda de nueva física. Por ello, nos proponemos como objetivo la exploración de la fenomenología en la búsqueda de nueva física en colisionadores desde distintos ángulos. Abordamos por un lado la construcción de un modelo de nueva física, motivado como posible solución al problema abierto de la materia oscura (DM), y estudiamos sus principales señales experimentales, llegando a mostrar la sensibilidad del LHC y colisionadores futuros para estos nuevos observables. Por otro lado, exploramos el uso de nuevas herramientas estadísticas basadas en aprendizaje automático bayesiano, ciñéndonos a un problema simplificado inspirado en una búsqueda de di-Higgs en el LHC, para el cual desarrollamos una prueba de concepto para ilustrar algunas ideas clave de este paradigma. El trabajo se presenta mediante tres estudios particulares. En el primero, en el contexto del problema de la DM, planteamos construir un modelo de partícula masiva de interacción débil (WIMP) que eluda los límites experimentales y a su vez sea posible de descubrir en colisionadores. Construimos un modelo que cumple con estas condiciones, incorporando un candidato fermiónico para la DM y un nuevo mediador de gauge, y calculamos los límites actuales provenientes de diferentes experimentos, encontrando que una gran región del espacio de parámetros puede ser explorada. En el LHC, estudiamos el impacto de una región de señal exclusiva de muones para el canal 3µ + ETmiss , mejorando significativamente los límites actuales del colisionador. Una característica distintiva de este modelo es la presencia de anomalías de gauge, que se manifiestan en las interacciones tribosónicas entre el nuevo bosón y los bosones de gauge electrodébiles. En el segundo estudio, exploramos las búsquedas de señales provenientes de estos vértices anómalos tanto en el LHC como en distintas propuestas de colisionadores futuros: en un colisionador hadrónico a 100 TeV, y en colisionadores leptónicos de e+ e− y µ+ µ−. Encontramos que es difícil hallar este tipo de señales en el LHC, mientras que los colisionadores futuros muestran cierta sensibilidad a estas interacciones. Por último, en el tercer estudio, nos enfocamos en estudiar y desarrollar modelos basados en datos para atacar problemas específicos en el contexto de análisis experimentales en el LHC. En particular, construimos un modelo probabilístico de mezcla con el objetivo de generalizar el método conocido como ABCD, relevante para muchas búsquedas en el LHC. Esta generalización apunta a explotar la información mutua entre los observables de señal y los distintos fondos, y mediante un enfoque bayesiano permite incorporar el conocimiento previo de los datos para inferir las distribuciones a posteriori de las variables del modelo. Inspirados en la búsqueda de pares de Higgs en el canal bb̄bb̄, planteamos un problema «de juguete», y comparamos en este los resultados del enfoque del ABCD tradicional con nuestro modelo probabilístico. Encontramos que nuestro modelo funciona significativamente mejor en la estimación de la señal y es robusto frente a la ausencia de la misma. Finalmente, discutimos algunas perspectivas para llevar este paradigma a escenarios más realistas.