Top quark phenomenology in the search for new physics

El quark top fue descubierto en 1995 en el colisionador Tevatron de p¯p, en Fermilab. Es la partícula elemental más masiva que se conoce. El alto valor de su masa, significativamente por encima de la de los demás fermiones, y el de su acoplamiento al bosón de Higgs, sugieren que podría jugar un papel muy importante en el mecanismo de ruptura de simetría electrodébil. Sin embargo, su fenomenología no ha sido explorada completamente, dejando abierta la posibilidad de una potencial conexión con nueva física (NP del inglés New Physics). Si bien el Modelo Estándar (SM, del inglés Standard Model) explica prácticamente todos los resultados experimentales de colisionadores de manera notablemente exitosa, no puede ser considerado una teoría completa. El SM no puede explicar, entre otras cosas, las observaciones que indican presencia de materia oscura, la asimetría materia-antimateria del universo actual y el mecanismo de generación de masa de los neutrinos. Además, el SM no incorpora la gravedad ya que no se ha descubierto aún la manera de hacerlo en el marco de la mecánica cuántica y presenta un problema de naturalidad relacionado con la escala de ruptura electrodébil y la escala de Planck. Esto ha motivado que en una gran cantidad de extensiones del SM se espere NP a partir de la escala del TeV. Muchas de estas extensiones incorporan interacciones con corrientes neutras de cambio de sabor (FCNCs del inglés Flavour Changing Neutral Currents), con materia oscura (DM, del inglés Dark Matter), y con nuevos quarks vectoriales pesados. En este trabajo investigamos la fenomenología del quark top en la búsqueda de nueva física, en escenarios más allá del SM que introducen este tipo de interacciones y las usamos para abarcar distintas anomalías experimentales y hacer predicciones para intentar trazar el camino hacia su resolución. Uno de los resultados que están en desacuerdo con el SM es la asimetría forward backward medida en el Tevatron. La asimetría de carga por el contrario, medida en el Gran Colisionador Hadrónico, (LHC del inglés Large Hadron Collider), no presenta discrepancia con la predicción teórica. Motivados por conciliar el aparente conflicto entre ambas mediciones, proponemos un modelo con un bosón de gauge Z0 que interactúa mediante FCNCs y estudiamos su fenomenología en ambos aceleradores de partículas. El modelo Z´ introducido arriba, predice la existencia de la señal de monotop, que consiste en un quark top en asociación con una cantidad considerable de energía transversa faltante. Esta señal es una característica de varios modelos de NP, mientras que en el SM se encuentra suprimida. La producción de monotop se puede investigar mediante dos modos no correlacionados dependiendo del decaimiento del quark top: el modo hadrónico y el leptónico. El modo hadrónico ha sido estudiado con anterioridad, en este trabajo exploramos el modo leptónico que goza de la ventaja de ser considerablemente más limpio que el hadrónico. Así, estudiamos la producción y detección de monotops leptónicos en el LHC no sólo en el modelo Z0, sino también en otros dos escenarios que también presentan FCNCs. Por último, investigamos un modelo motivado por el problema de jerarquía del SM, en el cual el SM se extiende con operadores efectivos que parametrizan física a una escala de alta energía. Ampliamos el sector de Yukawa con un quark pesado de tipo vectorial, singlete del grupo de gauge de SU(2), que se mezcla predominantemente con el quark top del SM, y el sector escalar con un triplete escalar real. Encontramos que en este modelo el quark vectorial pesado tiene nuevos modos de decaimiento que no han sido considerados previamente en la literatura, algunos de ellos conducen a señales con una alta multiplicidad de quarks top. Palabras clave: Nueva Física, quark top, Tevatron, LHC.The top quark was discovered in 1995 at the Tevatron p¯p collider, in Fermilab. It is the most massive known elementary particle. Its large mass, significantly above all of the other fermion masses, and its large coupling to the Higgs boson, suggest that it may play a very important role in the electroweak symmetry breaking mechanism. However, its phenomenology has not being explored to its enterity, thus, leaving opened the possibility of a potential connection to New Physics (NP). The Standard Model (SM) explains sucessfully almost all the collider experimental results to date, yet it cannot be considered a complete theory. The SM cannot explain, among other things, observations that suggest the presence of dark matter (DM), the matter-antimatter asymmetry in the present-day universe and the mechanism for neutrino mass generation. Furthermore, the SM does not incorporate gravity, since a proper treatment within the framework of quantum field theory has not been discovered yet and presents a a naturalness problem related to the electroweak symmetry breaking scale and the Planck scale. This is why within many extensions of the SM, NP is expected to arise at the TeV scale. Many of these extensions these days introduce interactions with flavor changing neutral currents (FCNCs), with DM, and with new vector like heavy quarks. In this work, we investigate the phenomenology of the top quark in the search for NP, within scenarios beyond the SM that incorporate these types of interactions and we use them to address various experimental anomalies and make predictions that would lay the path for future experimental works. One of the experimental results that disagrees with the SM prediction, is the forward backward asymmetry measured at the Tevatron. The charge asymmetry on the contrary, measured at the Large Hadron Collider (LHC), does not present a discrepancy with the theoretical prediction. With the aim to conciliate this apparent conflict between the two measurements, we propose a model with a new Z0 gauge boson that interacts via FCNCs, and study its phenomenolgy in both particle accelerators. The Z´-model introduced above, predicts the existence of a monotop signal, that consists in a top quark in association with large amounts of missing transverse energy. This signal is a feature of several NP models while it is suppressed in the SM. Monotop production can be probe in two independent modes depending on the top decay: the hadronic and leptonic modes. The hadronic mode has been previously studied, therefore in this work we explore the leptonic one which has the advantage of being considerably cleaner than the hadronic one. We study the production and detection of leptonic monotops at the LHC, not only in the Z0-model, but in two other scenarios that also predict FCNCs. Last but not least, we investigate a model motivated by the hierarchy problem of the SM, where the SM is extended with effective operators that parametrize physics at a high energy scale. We enlarge the Yukawa sector with a heavy vector-like quark, singlet under the SU(2) gauge group and mixing predominantly with the SM top quark, and the scalar sector with a real scalar triplet. We find within this model that the heavy vector-like quark has additional decay modes not considered previously in the literature, some which lead to signals with a large multiplicity of top quarks. Key words: New Physics, top quark, Tevatron, LHC.Fil:Coluccio Leskow, Estefanía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina