A study of W boson properties with four-jet W^+W^- events at LEP

In this thesis I present a study of W pair production in e⁺e^- annihilation using fully hadronic W⁺W^- events. Data collected by the L3 detector at LEP in 1996-1998, at collision center-of-mass energies between 161 and 189 GeV, was used in my analysis.

Analysis of the total and differential W⁺W^- cross sections with the resulting sample of 1,932 W⁺W^- → qqqq event candidates allowed me to make precision measurements of a number of properties of the W boson. I combined my measurements with those using other W⁺W^- final states to obtain stringent constraints on the W boson's couplings to fermions, other gauge bosons, and scalar Higgs field by measuring the total e⁺e^- → W⁺W^- cross section and its energy dependence

σ(e⁺e^- → W⁺W^-) =

{2.68^+0.98_-0.67(stat.)± 0.14(syst.) pb, √s = 161.34 GeV

{12.04^+1.38_-1.29(stat.)± 0.23(syst.) pb, √s = 172.13 GeV

{16.45 ± 0.67(stat.) ± 0.26(syst.) pb, √s = 182.68 GeV

{16.28 ± 0.38(stat.) ± 0.26(syst.) pb, √s = 188.64 GeV

the fraction of W bosons decaying into hadrons

invisible non-SM width of the W boson

the mass of the W boson

the total width of the W boson

the anomalous triple gauge boson couplings of the W

Δg^Z₁ = 0.16^+0.13_-0.20(stat.) ± 0.11(syst.)

Δk_γ = 0.26^+0.24_-0.33(stat.) ± 0.16(syst.)

λ_γ = 0.18^+0.13_-0.20(stat.) ± 0.11(syst.)

No significant deviations from Standard Model predictions were found in any of the measurements.

Procura do bóson de Higgs a partir da fusão de bósons vetoriais no Experimento CMS

O presente trabalho tem por finalidade determinar a luminosidade necessária para se impor um limite para exclusão e a signifucância para evidência e descoberta para um bóson de Higgs de mH = 200 GeV no canal qqH → ZZ → 4. Também, apresenta-se uma crítica a qualidade da relação sinal/fundo em eventos de fusão de bósons vetoriais conhecida da literatura atual.

Obtenção de um limite para a largura do bóson de Higgs no experimento CMS via H→ ZZ → (4e, 4, 2e2)

Apresenta-se neste trabalho um estudo sobre a largura de decaimento total do bóson de Higgs através do canal H→ ZZ → (4e, 4, 2e2). Segundo o Modelo Padrão da Física de Partículas Elementares, um bóson de Higgs com massa de 126 GeV deve ter uma largura de decaimento total ΓH = 4.15 MeV, muito abaixo da resoluções dos experimentos instalados no LHC. Isto impede uma medida direta sobre os eventos da ressonância. Recentemente foi proposto limitar ΓH a partir da relação entre a taxa de eventos observados na região da ressonância e na região off-shell. Utilizando o pacote de análise desenvolvido pela colaboração CMS obteve-se um limite de ΓH < 31.46(12.82) MeV em 95(68.3)% CL combinando os dados coletados pelo LHC em colisões pp em √s = 7 TeV (5.1fb-1) e em √s = 8 TeV (19.7fb -1).

General SU(2)(L) x SU(2)(R) x U(1)(EM) sigma model with external sources, dynamical breaking and spontaneous vacuum symmetry breaking

We give a general SU(2)(L) x SU(2)(R) x U(1)(EM) sigma model with external sources, dynamical breaking and spontaneous vacuum symmetry breaking, and present the general formulation of the model. It is found that sigma and pi(0) without electric charges have electromagnetic interaction effects coming front the internal structures. A general Lorentz transformation relative to external sources J(gauge) - (J(A mu) J(A mu)(kappa)) derived, using the general Lorentz transformation and the four-dimensional current of nuclear matter of the ground si ate with J(gauge) = 0, we give the four-dimensional general relations between the different currents of nuclear matter systems with J(gauge) not equal 0 and those with J(gauge) = 0. The relation of the density's coupling with external magnetic field is derived, which conforms well to dense nuclear matter in a strong magnetic field. We show different condensed effects in strong interaction about fermions and antifermions, and give the concrete scalar and pseudoscalar condensed expressions of sigma(0) and pi(0) bosons. About different dynamical breaking and spontaneous vacuum symmetry breaking, the concrete expressions of different mass spectra are obtained in field theory. This paper acquires the running spontaneous vacuum breaking value sigma'(0), and obtains the spontaneous vacuum breaking in tenus of the running sigma'(0), which make nucleon, sigma, and pi particles gain effective masses. We achieve both the effect of external sources and nonvanishing value of the condensed scalar and pseudoscalar paticles. It is deduced that the masses of nucleons, sigma and pi generally depend on different external sources.

Phase transition to color-flavor-locked matter and condensation of Goldstone bosons in neutron star matter

Deconfinement phase transition and condensation of Goldstone bosons in neutron star matter are investigated in a chiral hadronic model (also referred as to the FST model) for the hadronic phase (HP) and in the color-flavor-locked (CFL) quark model for the deconfined quark phase. It is shown that the hadronic-CFL mixed phase (MP) exists in the center of neutron stars with a small bag constant, while the CFL quark matter cannot appear in neutron stars when a large bag constant is taken. Color superconductivity softens the equation of state (EOS) and decreases the maximum mass of neutron stars compared with the unpaired quark matter. The K-0 condensation in the CFL phase has no remarkable contribution to the EOS and properties of neutron star matter. The EOS and the properties of neutron star matter are sensitive to the bag constant B, the strange quark mass m(s) and the color superconducting gap Delta. Increasing B and m(s) or decreasing Delta can stiffen the EOS which results in the larger maximum masses of neutron stars.

Phase diagram of spin-1 bosons on one-dimensional lattices

Spinor Bose condensates loaded in optical lattices have a rich phase diagram characterized by different magnetic order. Here we apply the density matrix renormalization group to accurately determine the phase diagram for spin-1 bosons loaded on a one-dimensional lattice. The Mott lobes present an even or odd asymmetry associated to the boson filling. We show that for odd fillings the insulating phase is always in a dimerized state. The results obtained in this work are also relevant for the determination of the ground state phase diagram of the S=1 Heisenberg model with biquadratic interaction.

Low-energy behavior of strongly interacting bosons on a flat-band lattice above the critical filling factor

Bosons interacting repulsively on a lattice with a flat lowest band energy dispersion may, at sufficiently small filling factors, enter into a Wigner-crystal-like phase. This phase is a consequence of the dispersionless nature of the system, which in turn implies the occurrence of single-particle localized eigenstates. We investigate one of these systems-the sawtooth lattice-filled with strongly repulsive bosons at filling factors infinitesimally above the critical point where the crystal phase is no longer the ground state. We find, in the hard-core limit, that the crystal retains its structure in all but one of its cells, where it is broken. The broken cell corresponds to an exotic kind of repulsively bound state, which becomes delocalized. We investigate the excitation spectrum of the system analytically and find that the bound state behaves as a single particle hopping on an effective lattice with reduced periodicity, and is therefore gapless. Thus, the addition of a single particle to a flat-band system at critical filling is found to be enough to make kinetic behavior manifest.

Calculation of the optical conductivity for the Anderson impurity model using the slave boson technique

The optical conductivity of the Anderson impurity mode l has been calculated by emp l oying the slave boson technique and an expansion in powers of l i N, where N is the d egeneracy o f the f electron level . This method has been used to find the effective mass of the conduction electrons for temperatures above and below the Kondo tempera ture. For low temperatures, the mass enhancement is f ound to be large while a t high t emperatures, the mass enhancement is sma ll. The conductivity i s f ound to be Drude like with frequency dependent effective mass and scattering time for low independent effective mass and temperatures and scattering time f requency for high t emperatures. The behavior of both the effective mass and the conductivity is in qualitative agreement with experimental r esul t s .

Monte Carlo Tests with Nuisance Parameters: A General Approach to Finite-Sample Inference and Nonstandard Asymptotics

The technique of Monte Carlo (MC) tests [Dwass (1957), Barnard (1963)] provides an attractive method of building exact tests from statistics whose finite sample distribution is intractable but can be simulated (provided it does not involve nuisance parameters). We extend this method in two ways: first, by allowing for MC tests based on exchangeable possibly discrete test statistics; second, by generalizing the method to statistics whose null distributions involve nuisance parameters (maximized MC tests, MMC). Simplified asymptotically justified versions of the MMC method are also proposed and it is shown that they provide a simple way of improving standard asymptotics and dealing with nonstandard asymptotics (e.g., unit root asymptotics). Parametric bootstrap tests may be interpreted as a simplified version of the MMC method (without the general validity properties of the latter).

Étude des transitions de phases dans le modèle de Higgs abélien en (2+1) dimensions et l'effet du terme de Chern-Simons

Nous avons investigué, via les simulations de Monte Carlo, les propriétés non-perturbatives du modèle de Higgs abélien en 2+1 dimensions sans et avec le terme de Chern-Simons dans la phase de symétrie brisée, en termes de ses excitations topologiques: vortex et anti-vortex. Le but du présent travail est de rechercher les phases possibles du système dans ce secteur et d'étudier l'effet du terme de Chern-Simons sur le potentiel de confinement induit par les charges externes trouvé par Samuel. Nous avons formulé une description sur réseau du modèle effectif en utilisant une tesselation tétraédrique de l'espace tridimensionnel Euclidien pour générer des boucles de vortex fermées. En présence du terme de Chern-Simons, dans une configuration donnée, nous avons formulé et calculé le nombre d'enlacement entre les différentes boucles de vortex fermées. Nous avons analysé les propriétés du vide et calculé les valeurs moyennes de la boucle de Wilson, de la boucle de Polyakov à différentes températures et de la boucle de 't Hooft en présence du terme de Chern-Simons. En absence du terme de Chern-Simons, en variant la masse des boucles de vortex, nous avons trouvé deux phases distinctes dans le secteur de la symétrie brisée, la phase de Higgs habituelle et une autre phase caractérisée par l'apparition de boucles infinies. D'autre part, nous avons trouvé que la force entre les charges externes est écrantée correpondant à la loi périmètre pour la boucle de Wilson impliquant qu'il n'y a pas de confinement. Cependant, après la transition, nous avons trouvé qu'il existe toujours une portion de charges externes écrantée, mais qu'après une charge critique, l'énergie libre diverge. En présence du terme de Chern-Simons, et dans la limite de constante de couplage faible de Chern-Simons nous avons trouvé que les comportements de la boucle de Wilson et de la boucle de 't Hooft ne changent pas correspondants à une loi périmètre, impliquant qu'il n'y a pas de confinement. De plus, le terme de Chern-Simons ne contribue pas à la boucle de Wilson.

The Search for New Resonances in Strong Symmetry Breaking Scenarios with the ATLAS Detector

Utilisant les plus récentes données recueillies par le détecteur ATLAS lors de collisions pp à 7 et 8 TeV au LHC, cette thèse établira des contraintes sévères sur une multitude de modèles allant au-delà du modèle standard (MS) de la physique des particules. Plus particulièrement, deux types de particules hypothétiques, existant dans divers modèles théoriques et qui ne sont pas présentes dans le MS, seront étudiés et sondés. Le premier type étudié sera les quarks-vectoriels (QV) produits lors de collisions pp par l’entremise de couplages électrofaibles avec les quarks légers u et d. On recherchera ces QV lorsqu’ils se désintègrent en un boson W ou Z, et un quark léger. Des arguments théoriques établissent que sous certaines conditions raisonnables la production simple dominerait la production en paires des QV. La topologie particulière des évènements en production simple des QV permettra alors la mise en oeuvre de techniques d’optimisation efficaces pour leur extraction des bruits de fond électrofaibles. Le deuxième type de particules recherché sera celles qui se désintègrent en WZ lorsque ces bosons de jauges W, et Z se désintègrent leptoniquement. Les états finaux détectés par ATLAS seront par conséquent des évènements ayant trois leptons et de l’énergie transverse manquante. La distribution de la masse invariante de ces objets sera alors examinée pour déterminer la présence ou non de nouvelles résonances qui se manifesterait par un excès localisé. Malgré le fait qu’à première vue ces deux nouveaux types de particules n’ont que très peu en commun, ils ont en réalité tous deux un lien étroit avec la brisure de symétrie électrofaible. Dans plusieurs modèles théoriques, l’existence hypothétique des QV est proposé pour annuler les contributions du quark top aux corrections radiatives de la masse du Higgs du MS. Parallèlement, d’autres modèles prédisent quant à eux des résonances en WZ tout en suggérant que le Higgs est une particule composite, chambardant ainsi tout le sector Higgs du MS. Ainsi, les deux analyses présentées dans cette thèse ont un lien fondamental avec la nature même du Higgs, élargissant par le fait même nos connaissances sur l’origine de la masse intrinsèque des particules. En fin de compte, les deux analyses n’ont pas observé d’excès significatif dans leurs régions de signal respectives, ce qui permet d’établir des limites sur la section efficace de production en fonction de la masse des résonances.

Énergie des vortex dans un modèle abélien de Higgs en 2+1 dimensions avec un potentiel d’ordre six

Dans ce travail, j’étudierai principalement un modèle abélien de Higgs en 2+1 dimensions, dans lequel un champ scalaire interagit avec un champ de jauge. Des défauts topologiques, nommés vortex, sont créés lorsque le potentiel possède un minimum brisant spontanément la symétrie U(1). En 3+1 dimensions, ces vortex deviennent des défauts à une dimension. Ils ap- paraissent par exemple en matière condensée dans les supraconducteurs de type II comme des lignes de flux magnétique. J’analyserai comment l’énergie des solutions statiques dépend des paramètres du modèle et en particulier du nombre d’enroulement du vortex. Pour le choix habituel de potentiel (un poly- nôme quartique dit « BPS »), la relation entre les masses des deux champs mène à deux types de comportements : type I si la masse du champ de jauge est plus grande que celle du champ sca- laire et type II inversement. Selon le cas, la dépendance de l’énergie au nombre d’enroulement, n, indiquera si les vortex auront tendance à s’attirer ou à se repousser, respectivement. Lorsque le flux emprisonné est grand, les vortex présentent un profil où la paroi est mince, permettant certaines simplifications dans l’analyse. Le potentiel, un polynôme d’ordre six (« non-BPS »), est choisi tel que le centre du vortex se trouve dans le vrai vide (minimum absolu du potentiel) alors qu’à l’infini le champ scalaire se retrouve dans le faux vide (minimum relatif du potentiel). Le taux de désintégration a déjà été estimé par une approximation semi-classique pour montrer l’impact des défauts topologiques sur la stabilité du faux vide. Le projet consiste d’abord à établir l’existence de vortex classi- quement stables de façon numérique. Puis, ma contribution fut une analyse des paramètres du modèle révélant le comportement énergétique de ceux-ci en fonction du nombre d’enroulement. Ce comportement s’avèrera être différent du cas « BPS » : le ratio des masses ne réussit pas à décrire le comportement observé numériquement.

Formulation of the standard model in terms of spinor fields

We propose an alternative formulation of the Standard Model which reduces the number of free parameters. In our framework, fermionic fields are assigned to fundamental representations of the Lorentz and the internal symmetry groups, whereas bosonic field variables transform as direct products of fundamental representations of all symmetry groups. This allows us to reduce the number of fundamental symmetries. We formulate the Standard Model by considering the SU(3) and SU(2) symmetry groups as the underlying symmetries of the fundamental interactions. This allows us to suggest a model, for the description of the interactions of the intermediate bosons among themselves and interactions of fermions, that makes use of just two parameters. One parameter characterizes the symmetric phase, whereas the other parameter (the asymmetry parameter) gives the breakdown strength of the symmetries. All coupling strengths of the Standard Model are then derived in terms of these two parameters. In particular, we show that all fermionic electric charges result from symmetry breakdown.

Fock space for fermion-like lattices and the linear Glauber model

The concept of Fock space representation is developed to deal with stochastic spin lattices written in terms of fermion operators. A density operator is introduced in order to follow in parallel the developments of the case of bosons in the literature. Some general conceptual quantities for spin lattices are then derived, including the notion of generating function and path integral via Grassmann variables. The formalism is used to derive the Liouvillian of the d-dimensional Linear Glauber dynamics in the Fock-space representation. Then the time evolution equations for the magnetization and the two-point correlation function are derived in terms of the number operator. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Electroweak precision constraints on the Lee-Wick standard model

We perform an analysis of the electroweak precision observables in the Lee-Wick Standard Model. The most stringent restrictions come from the S and T parameters that receive important tree level and one loop contributions. In general the model predicts a large positive S and a negative T. To reproduce the electroweak data, if all the Lee-Wick masses are of the same order, the Lee-Wick scale is of order 5 TeV. We show that it is possible to find some regions in the parameter space with a fermionic state as light as 2.4-3.5 TeV, at the price of rising all the other masses to be larger than 5-8 TeV. To obtain a light Higgs with such heavy resonances a fine-tuning of order a few per cent, at least, is needed. We also propose a simple extension of the model including a fourth generation of Standard Model fermions with their Lee-Wick partners. We show that in this case it is possible to pass the electroweak constraints with Lee-Wick fermionic masses of order 0.4-1.5 TeV and Lee-Wick gauge masses of order 3 TeV.