Enlarged Higgs sectors as a window into flavor symmetric theories beyond the standard model of particle physics

Abstract

Das Flavorproblem beschreibt drei Generationen von Quarks und Leptonen, die zwar identische Eichkopplungen aber stark hierarchische Massen aufweisen. Diese Generationen mischen untereinander, allerdings sind die Strukturen der Mischungsmatrizen in den Quark- und Leptonsektoren sehr verschieden. Flavormodelle, die diese Probleme zu beheben versuchen, haben oft wenig eindeutige Vorhersagen und sind kaum testbar. Aus diesem Grund untersuchen wir phänomenologische Flavormodelle, die mit Beschleunigerexperimenten überprüfbar sind. Ein Neutrinomischungsmodell auf Basis der Gruppe S3 wird vorgestellt, dessen Higgs-Sektor am LHC mithilfe von exotischen Zerfällen untersucht werden kann. Weiterhin postulieren wir ein Modell auf Basis der Gruppe Δ(27), das erstmalig eine berechenbare, geometrische Phase enthält, die in allen Ordnungen stabil bleibt, und die die einzige Quelle der CP-Verletzung darstellt. Das Modell reproduziert die CKM-Daten vollständig, wobei der symmetriebrechende Sektor überprüfbare LHC-Signale enthält. Als eine Alternative zu diskreten Symmetrien untersuchen wir mithilfe eines generischen Seesaw-Modells die Konsequenzen eines Szenarios, in dem die gesamte Neutrinomischung im schweren rechtshändigen Majorana-Sektor des Modells generiert wird. Wir zeigen, dass selbst in dieser generischen Klasse von Modellen experimentelle Vorhersagen wie eine normale Neutrinohierarchie enthalten sind.

The flavor puzzle refers to the existence of three generations of quarks and leptons with identical gauge couplings but widely hierarchical masses. These generations mix among each other, but with very different mixing matrices in the quark and lepton sectors respectively. Flavor models used to address these issues often lack unique predictions and testability. Consequently, in this thesis we investigate phenomenological models that aim to solve parts of the flavor puzzle, but are testable using collider experiments. A neutrino mixing model based on the symmetry S3 is analyzed which contains a Higgs sector potentially testable at the LHC through exotic decays. We also propose a model based on Δ(27), which for the first time provides a calculable, geometrical phase stable up to all orders as the only source of CP violation. The model can reproduce all CKM data while having a symmetry breaking sector testable at the LHC. Finally—as an alternative to discrete symmetries—using a class of generic seesaw models we investigate the consequences of a scenario in which all the neutrino mixing is generated in a heavy right-handed Majorana sector. We show that even in the generic class of models considered, common experimental predictions such as a normal neutrino mass hierarchy emerge.