par Mollet, Simon 
Président du jury Clerbaux, Barbara
Promoteur Frère, Jean-Marie
Publication Non publié, 2016-06-08
Président du jury Clerbaux, Barbara
Promoteur Frère, Jean-Marie
Publication Non publié, 2016-06-08
Thèse de doctorat
| Résumé : | In this thesis, we study several scenarios which go beyond the Standard Model of particle physics with the aim of gaining a better understanding for the multiplication of fermion families, their masses and mixings pattern and its relation to CP violation. The common feature of the models we envisaged (and the guiding principle of the thesis) is the introduction of extra space dimensions. In a first attempt to explain the fermion mass structure, we elaborate on a model with two extra-dimensions and a Nielsen- Olesen vortex background established on it. In this framework, three families in 4D can be seen as different modes of a single generation in 6D, while their extra-dimensional wavefunctions turn out highly constrained by the dynamics, which allows to determined the mass matrices with few parameters. Moreover, with a few additional hypotheses only, it is possible to simultaneously account for the striking differences between neutrinos and charged fermions. After a summary of the model, we illustrate this with the explicit formulation of a benchmark model which reproduces convincingly all the mass and mixing parameters of the Standard Model, taking advantage of new, more precise numerical solutions of the field equations, and including the recent measurements of the Standard Model scalar boson mass and of the neutrino heta_13 mixing angle (the latter has however been correctly predicted by the model before its first measurement). We then turn to the predictions which mainly concern the neutrino and gauge sectors. In the former, we remind the Majorana nature, and the natural tendency for inverted hierarchy pattern with an almost maximally suppressed neutrinoless double beta decay. On the other hand, we predict new (neutral) gauge bosons whose couplings to fermions are not flavour-diagonal but are however constrained (in their strength and their flavour structure) by the 6D anatomy of the theory. We compare their detectability in precision low energy processes and at colliders (especially at the LHC), and show that in the simplest geometries at least, the bounds from the former exclude interesting phenomenology for the latter. Nevertheless, we turn to more phenomenological effective Lagrangians with the same overall structure and in which we are able to lower the mass scale of the new bosons to a reachable energy, and thus analyse the possible signatures for LHC.In the last part of this work, we turn to the issue of CP violation and show how in certain 6D models with non simply connected topologies, it is possible to generate a non negligible CP violation at the 4D level in a pure gauge approach. We carefully study how the 4D CP symmetry is related to particular transformations of the original 6D theory and subsequently show how an incompatibility of such transformations with the compactification scheme can lead to an effective CP breaking. As a proof of concept, we build a toy model with two extra-dimensions compactified on a flat torus and end in 4D with a light neutral fermion with a non zero electric dipole moment.Dans cette thèse, nous étudions plusieurs scénarios au-delà du Modèle Standard de la physique des particules à la recherche d'une meilleure compréhension de la multiplication des familles de fermions, de leurs masses et de leurs mélanges, ainsi que la relation à laviolation de CP.La caractéristique commune à tous les modèles envisagés (et le concept sous-jacent à toute la thèse) est l'introduction de nouvelles dimensions spatiales. Dans une première tentative pour expliquer le spectre des fermions, nous développons un modèle où une structure de vortex à la Nielsen-Olesen est établie sur deux dimensions supplémentaires. Dans ce cadre, les trois familles à 4D peuvent être vues comme différents modes d'une unique génération à 6D, tandis que leur fonctions d'onde extra-dimensionnelles s'avèrent fortement contraintes par la dynamique ; ceci permet d'établir les matrices de masses en terme d'un petit nombre de paramètres. De plus, grâce à quelques hypothèses additionnelles seulement, il est possible de justifier simultanément les différences marquées entre neutrinos et fermions chargés. Nous synthétisons le modèle et l'illustrons en en formulant une réalisation particulière qui parvient à reproduire de manière convaincante tous les paramètres de masse et de mélange du Modèle Standard. Pour l'occasion, nous exploitons de nouvelles solutions aux équations des champs, numériquement plus précises, et prenons en compte les mesures récentes de la masse du boson scalaire et de l'angle de mélange heta_13 pour les neutrinos (le modèle avait cependant prédit ce dernier avant qu'il ne soit mesuré pour la première fois). Nous nous tournons ensuite vers les prédictions du modèle et qui concernent principalement le secteur des neutrinos et celui des bosons de jauge. Pour le premier, nous rappelons la nature "Majorana" des neutrinos, ainsi que la tendance naturelle à une hiérarchie inverse avec une suppression quasi maximale de la double désintégration bêta sans neutrino. D'autre part, nous prédisons de nouveaux bosons de jauge (neutres) dont les couplages aux fermions ne sont pas diagonaux dans l'espace des saveurs mais sont contraints (autant en terme de valeurs qu'en termes de structure) par l'anatomie de la théorie à 6D. Nous comparons leurs détections potentielles dans les processus de précision à basse énergie et auprès des collisionneurs (en particulier au LHC). Nous montrons que, dans les géométries les plus simples du moins, les limites imposées par les premiers excluent toute phénoménologie intéressante du côté des seconds. Toutefois, en nous tournantvers des Lagrangiens effectifs qui conservent la même structure d'ensemble mais ouvrent à une étude plus phénoménologique, nous sommes capables de réduire l'échelle de masse de ces nouveaux bosons jusqu'à une énergie accessible, et donc d'en analyser de potentielles signatures au LHC.Dans la dernière partie de ce travail, nous nous intéressons à la question de la violation de CP et montrons comment dans certains modèles à 6D avec une topologie non-simplement connexe, il est possible de générer une violation de CP non négligeable à 4D dans une approche de "pure jauge". Nous étudions attentivement comment la symétrie CP à 4D est reliée à des transformations particulières de la théorie originale à 6D, suite à quoi nous montrons comment l'incompatibilité de ces transformations avec la façon dont sont "compactifiées" les dimensions supplémentaires peut conduire à une brisure effective de CP. Pour illustrer la faisabilité de notre approche, nous élaborons un "modèle jouet" où deux dimensions supplémentaires sont compactifiées sur un tore plat, et obtenons à 4D un fermion neutre léger et qui possède un moment électrique dipolaire non nul. |
