Exploiting the phenomenology of flavourful Z′ models

Abstract

This thesis comprises recent studies on extensions of the standard model (SM) involving a heavy Z’ boson. In the SM, flavour-changing neutral current (FCNC) quark transitions only appear at loop level and are highly suppressed. This puts forward flavourful Z’ models, where the new gauge boson couples non-universally to the known quarks and leptons at tree level. The models are able address the persistent deviations of the SM seen in observables of rare B-meson decays referred to as the B-anomalies. By supplementing the particle content of the SM with new scalars and vector-like fermions, the occurrence of putative Landau poles present in general Z’ scenarios can be averted. We discuss dedicated models in the context of the B-anomalies that allow for a stable and predictive theory up to the Planck scale. Moreover, flavour rotations also enable FCNC transitions in the charm sector, where the resonance pollution in branching ratios of semileptonic decays demands null test observables sensitive to physics beyond the SM. We investigate effects in such decays and present unique correlations to CP-violating observables in hadronic decays, accessible with future measurements by the LHCb and Belle II experiments. Recent studies involving dineutrino modes are discussed as well. We exploit an interplay between neutrino and charged lepton couplings within the SM effective field theory approach that connects decays of opposite flavour sectors. In doing so, we derive limits on diverse sets of dineutrino branching ratios and find novel tests of lepton universality using data from global fits of the B-anomalies.

Die vorliegende Dissertation umfasst Studien zur Erweiterung des Standardmodells durch ein schweres Z’-Boson. Flavour-verändernde neutrale Ströme (FCNCs) von Quarkübergängen treten im Standardmodell in höheren Ordnungen auf und sind stark unterdrückt. Die Implementation von Z’-Modellen ermöglicht solche Übergänge auf Baumgraphen-Niveau, induziert durch nicht-universelle Kopplungen an die bekannten Quarks und Leptonen. Dies liefert eine mögliche Erklärung der Diskrepanzen zwischen theoretischer Vorhersage und Messung in Observablen von seltenen B-Meson-Zerfällen, den sogenannten B-Anomalien. Das Auftreten von Landau-Polen in eben solchen Theorien kann durch das Hinzufügen von neuen Teilchen zum Standardmodell-Spektrum abgewendet werden. In dieser Arbeit untersuchen wir ausgewählte Modelle, die eine direkte Erklärung der B-Anomalien liefern und zusätzlich eine stabile Vorhersagekraft durch Abwesenheit von Polen und Instabilitäten bis zur Planck-Skala innehaben. Auch in seltenen charm Zerfällen können erhebliche Beträge zu FCNCs durch das Z’-Boson generiert werden. In diesem Sektor spielt das Aufstellen von null tests des Standardmodells, sensitiv zu Effekten neuer Physik, eine besondere Rolle, da unter anderem semi-leptonische Verzweigungsverhältnisse durch die Verunreinigung von auftretenden Resonanzen schwer zugänglich sind. Wir befassen uns deshalb außerdem mit der Erforschung von Effekten neuer Physik in diesen Zerfällen und erarbeiten eindeutige Korrelationen zwischen CP-verletzenden Observablen, welche mit zukünftigen Messungen von den Experimenten LHCb und Belle II überprüft werden können. Wir präsentieren außerdem neue Studien zu Teilchenzerfällen in zwei Neutrinos. Durch das Zusammenspiel zwischen Kopplungen von geladenen Leptonen und Neutrinos unter Zuhilfenahme der effektiven Feldtheorie des Standardmodells bestimmen wir obere Grenzen an eine Vielzahl von Neutrino-Verzweigungsverhältnissen, und entwickeln neue Tests der Lepton-Universalität.