The Origin of Mass and the Particle Nature of Dark Matter

Denne afhandling består af seks værker skrevet under mit ph.d.-studie og inkluderer også et relevant værk skrevet før ph.d.’en. I alle disse studier konstruerer og undersøger vi “(Partially) Composite Higgs” ((P)CH) modeller, en variant af modeller med dynamiske elektrosvage symmmetribrud, der giver en “pseudo-Nambu-Goldstone Boson” (pNGB) sammensat Higgs, som kan være så let som den observerede ved LHC. Dette er i modsætning til hvad der forventes i “Technicolor” (TC). Alle disse modeller afhjælper det elektrosvage hierarkiproblem ved at erstatte den elementære Higgs-sektor i Standardmodellen (SM) med en sammensat sektor.
I den første del overvejer vi muligheden for sammensatdynamik til at opnå “Dark Matter” (DM) kandidater, både af termisk og ikke-termisk oprindelse. For det første konstruerer vi CH-modellen med et minimalt antal pNGB tilstande med en levedygtig DM-kandidat. CH-modellen med en minimal inert sektor på to Weyl fermioner producerer termisk en pNGB DM-kandidat, der er stabil på grund af en U(1)L symmetri. For det andet konstruerer vi to forskellige CH-modeller med partikel-antipartikel asymmetriske DM-kandidater produceret ikke-termisk via sphaleroner. Før dette eksisterede der ikke sådanne CH-modeller. I artiklen “Higgs boson emerging from the dark” foreslår vi en ny ikke-termisk mekanisme til DMproduktion baseret på vakuumjustering. Der genereres en X-ladning-asymmetri ved høje temperaturer, hvorunder både den kommende Higgs-boson og DM er ladet. Ved lavere energier ændrer vakuummet retning og bryder U(1)X, hvilket fører til fremkomsten af Higgs-bosonen og en brøkdel af ladning-asymmetri lagres i det stabile DM-levn. Denne mekanisme kan være til stede i en lang række modeller baseret på vakuumjustering, og vi demonstrerer det i en SU(6)/Sp(6) CH-skabelonmodel. Denne skabelonmodel kan både afhjælpe elektrosvage hierarkiproblemet, give en asymmetrisk DM-kandidat og kan forklare overskuddet i elektronrekylspektret ved XENON1T-eksperimentet. Endelig giver det testbare forudsigelser i forskellige fænomener lige fra tyngdebølger til fremtidige collidersignaler til kaon-fysik.
I den anden del diskuterer vi udfordringerne med at generere fermionmasser i CH-modelrammen. For det første fokuserer vi på, hvordan massehierarkierne for SM-fermioner kan etableres ud fra den sammensatte dynamik. For eksempel kan vi forklare neutrinomassernes lillehed ved at overveje en ny mekanisme, der ligner de scotogeniske modeller. Denne mekanisme genererer neutrinomasserne via loops af Z2–ulige sammensatte skalarer. Denne model kan opnå O(1) Yukawa-koblinger og forblive levedygtig med hensyn til nuværende eksperimentelle begrænsninger. Modeleksemplet undersøgt, baseret på en SU(6)/Sp(6) coset-struktur, kan også (ikke-)termisk producere den korrekte densitet af DM-levnet med den samme mekanisme som i vores “Higgs boson emerging from the dark” model. Dernæst undrersøger vi modeller med sammensatte multi-Higgs-doubletter, der kan generere kvarkernes massehierarkier. Vi begynder med at undersøge en SU(6)/Sp(6) CHskabelonmodel, der naturligvis kan forklare top-bottom-kvark massehierarkiet med en enkelt “universel” Higgs-Yukawa-kobling, g, hvilket er identificeret med topkvarkens coupling, g ≡ gt ~ O(1). Desuden diskuterer vi muligheden for at udvide dette modeleksempel, således at hierarkierne for alle SM-kvarkmasserne og deres sammenblandning kan beskrives med en SU(12)/Sp(12) CH-model. Endelig undersøger vi problemet, at ingen af de forskellige mekanismer, der genererer fermionmasser i CH-modelrammen er fri for finjusteringsproblemer. Derfor slutter vi med at diskutere nogle ideer til, hvordan vi kan konstruere en “fuldstændig” naturlig CH-model.