"Baryon number violation at the TeV scale" Durieux, Gauthier ABSTRACT The astonishing stability of ordinary matter is a mysterious fact established experimentally far beyond common wisdom. A conservation of “baryon number” would actually make absolutely stable the protons of atomic nuclei. This is, however, a doubtful theoretical hypothesis. Violations are indeed required to explain the apparent matter-antimatter asymmetry in the universe and occur “non-perturbatively” in our standard description of fundamental interactions. The present dissertation investigates the forms a violation of baryon number could take at energy scales a thousand times larger than the proton mass. By accelerating particles against each other at such “TeV” energies, the LHC is currently exploring the frontiers of our understanding of elementary particle physics. An effective description of baryon-number- violating interactions is first adopted. It is built upon the same ingredients (fields, Lorentz and gauge symmetries) as our standard model and is therefore particularly general. In addition, transposing the standard-model pattern of global “flavour” symmetry breaking to baryon-number-violating interactions can simultaneously render them elusive at the proton mass scale and observable at the TeV scale. Their possible manifestations at the LHC are studied, generically and in a specific “supersymmetric” framework. CITE THIS VERSION Durieux, Gauthier. Baryon number violation at the TeV scale. Prom. : Maltoni, Fabio http:// hdl.handle.net/2078.1/151823 Le dépôt institutionnel DIAL est destiné au dépôt DIAL is an institutional repository for the deposit et à la diffusion de documents scientifiques and dissemination of scientific documents from émanents des membres de l'UCLouvain. Toute UCLouvain members. 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La politique complète de copyright est disponible sur la page Copyright policy Available at: http://hdl.handle.net/2078.1/151823 [Downloaded 2020/08/27 at 18:21:38 ] Université catholique de Louvain Institut de recherche en mathématique et physique Centre for Cosmology, Particle Physics and Phenomenology 338 | 2014 Chemin du Cyclotron 2, 1348 Louvain-la-Neuve, Belgium Baryon number violation Email : [email protected] http://cp3.irmp.ucl.ac.be/members/gdurieux at the TeV scale The astonishing stability of ordinary matter is a mysterious fact established experimentally far beyond common wisdom. A conservation of “baryon number” would actually make absolutely stable the protons of atomic nuclei. This is, however, a doubtful theoretical hypothesis. Violations are indeed required to explain the apparent matter-antimatter asymmetry in the universe and occur “non-perturbatively” in our standard description of fundamental interactions. Durieux Gauthier The present dissertation investigates the forms a violation of baryon number could take at energy scales a thousand times larger than the proton mass. By accelerating particles against each other at such “TeV” energies, the LHC is currently exploring the frontiers of our understanding of elementary particle physics. An effective description of baryon-number-violating interactions is first adopted. It is built upon the same ingredients (fields, Lorentz and gauge symmetries) as our standard model and is therefore particularly general. In addition, transposing the standard-model pattern of global “flavour” symmetry breaking to baryon-number- violating interactions can simultaneously render them elusive at the proton mass AUTHIER URIEUX scale and observable at the TeV scale. Their possible manifestations at the LHC are G D studied, generically and in a specific “supersymmetric” framework. OCTOBRE 2014 Before his PhD, Gauthier Durieux obtained a MSc in Physics at the Université catholique Thèse présentée en vue de l’obtention de Louvain. It included one semester at the IFT of the Universidad Autónoma de Madrid du grade de docteur en sciences and another one at the IPPP of Durham University. As a visiting postdoc, he is now joining the Particle Theory Group of Cornell University. Baryon number violation at the TeV scale TeV at the violation Baryon number Faculté des sciences Université catholique de Louvain Baryon number violation at the TeV scale Gauthier Durieux October 2014 Prof. F. Maltoni (Supervisor) Prof. J.-M. Gérard (Chair) Prof. G. Bruno (Secretary) Prof. C. Grojean Prof. J.F. Kamenik Université catholique de Louvain Institut de Recherche en Mathématique et Physique Centre for Cosmology, Particle Physics and Phenomenology A la veille de ma défense privée, de nervosité, je fais les cent pas dans ma chambre d’enfant réinvestie entre deux déménagements. Est-ce sa couverture rouge qui capte mon attention ? J’ouvre ce guide pratique d’origami et redécouvre certaines figures reproduites à l’époque. Je m’arrête ensuite sur ces quelques pages d’introduction, probablement peu ou pas lues. “L’origami est poésie.” Il ne nécessite ni adresse, ni matériel particulier ; un peu de papier, de concentration et de patience lui suffisent. Le rapprochement avec une certaine physique est de circonstance, celle des idées qui m’est si savoureuse. “L’art rapproche les Hommes puisqu’il nécessite la paix pour se développer,” l’introduction se poursuit, comme mon parallèle avec les sciences. A l’heure de clôturer ces années de doctorat, les Hommes que je souhaite remercier ne sont pas seulement Hommes de sciences. Une œuvre d’art n’est pas le produit de quelques minutes, heures, semaines, mois de travail mais le résultat de toute une vie, aurait dit Picasso. Il y a les membres de mon jury, Giacomo Bruno, Christophe Grojean et Jernej Kamenik qui ont donné de leur temps pour lire, écouter, critiquer et proposer des améliorations. Il y a mon co-promoteur officieux, Jean-Marc Gérard, disponible pour partager son expérience, sa vision singulière et poser les questions qui lui apparaissent essentielles. Il y a mon promoteur, Fabio Maltoni, qui en plus de ses apports à la physique de ce travail, illustre que la science est une affaire d’Hommes, à lire et faire lire, écouter et faire parler, à convaincre et rencontrer. Avant, pendant et après ce doctorat, il m’aura permis ces échanges ici et là-bas. Il y a Christopher Smith, avec qui j’ai eu le plaisir et la chance de travailler. Ces matinées et après-midi entières que nous avons passées à discuter, surtout de physique, lors de notre première rencontre à Lyon ont été pour moi fantastiques ; ton expérience partagée de la vie de physicien dans ses aspects extra-scientifiques, un enseignement de grande valeur. Il y a Cen Zhang que je voudrais remercier chaleureusement pour ces longues, appréciées et éclairantes discussions durant cette dernière année de projets communs. Il y a l’équipe d’expérimentateurs qui s’est consacrée à la recherche, dans le monde réel, des signes de nos modèles théoriques : Giacomo Bruno, Davide Pagano, Michele Gabusi et Alessio Magitteri. Collaborer avec vous à cette “réalisation” de notre travail aura été un plaisir. Il y a l’équipe CP3, son staff technique, ses habitués du lunch champêtre et du café de la gare qui font de ce centre un lieu d’échanges scientifiques et autres. Il y a mes co-doctorants avec qui exposer nos problèmes insolubles et leur imaginer des (fausses) solutions, crier nos heures perdues sur rien, dire nos fossés d’incompréhension, nos petits et grands désespoirs de thèses, nos mauvaises journées, semaines, voire... mais aussi partager soulagements, joies, bières savoureuses et autres bonheurs ! Il y a les amis et colocataires qui auront eu, entre autres mérites, celui probablement inconscient mais non moins apprécié, de m’offrir une fenêtre portant au delà de ce microcosme de l’université, de la recherche, de la physique et de rappeler l’existence d’une autre normalité, du concept d’heures de bureau et de week-ends ! Il y a tous ceux dont j’ai croisé la route, avec qui j’ai partagé un bout de chemin, échangé quelques mots ou regardé s’écouler un peu de notre temps. A votre contact se façonne ce que je suis. Il y a ma famille. Votre sang coule dans mes veines, avec tout ce que ça implique d’inéluctable et d’irremplaçable. Et il y a mes parents sans qui je ne serais pas. Ithaca, septembre 2014 Contents Foreword1 I. Introduction3 I.1 Describing nature effectively....................4 I.2 Standard-model particles and symmetries............. 12 I.3 Standard-model interactions.................... 14 I.4 Conclusions.............................. 30 II. Effective field theory 31 II.1 Baryon number violation...................... 31 II.2 LHC phenomenology........................ 34 II.3 Direct constraints.......................... 43 II.4 Indirect constraints......................... 43 II.5 Conclusions............................. 45 III. Resonances 47 III.1 Extrapolating standard-model flavour structures........ 47 III.2 The example of baryon number violation............ 48 III.3 LHC phenomenology....................... 50 III.4 Simplified specific models..................... 54 III.5 Conclusions............................. 59 IV. Specific model 61 IV.1 Minimal flavour violation....................