Authors:	Schmell, Christoph
Title:	Hunting for warped extra dimensions via loop-induced processes
Online publication date:	12-Dec-2014
Year of first publication:	2014
Language:	english
Abstract:	This thesis is on loop-induced processes in theories with warped extra dimensions where the fermions and gauge bosons are allowed to propagate in the bulk, while the Higgs sector is localized on or near the infra-red brane. These so-called Randall-Sundrum (RS) models have the potential to simultaneously explain the hierarchy problem and address the question of what causes the large hierarchies in the fermion sector of the Standard Model (SM). The Kaluza-Klein (KK) excitations of the bulk fields can significantly affect the loop-level processes considered in this thesis and, hence, could indirectly indicate the existence of warped extra dimensions. The analytical part of this thesis deals with the detailed calculation of three loop-induced processes in the RS models in question: the Higgs production process via gluon fusion, the Higgs decay into two photons, and the flavor-changing neutral current b â sγ. A comprehensive, five-dimensional (5D) analysis will show that the amplitudes of the Higgs processes can be expressed in terms of integrals over 5D propagators with the Higgs-boson profile along the extra dimension, which can be used for arbitrary models with a compact extra dimension. To this end, both the boson and fermion propagators in a warped 5D background are derived. It will be shown that the seemingly contradictory results for the gluon fusion amplitude in the literature can be traced back to two distinguishable, not smoothly-connected incarnations of the RS model. The investigation of the b â sγ transition is performed in the KK decomposed theory. It will be argued that summing up the entire KK tower leads to a finite result, which can be well approximated by a closed, analytical expression.rnIn the phenomenological part of this thesis, the analytic results of all relevant Higgs couplings in the RS models in question are compared with current and in particular future sensitivities of the Large Hadron Collider (LHC) and the planned International Linear Collider. The latest LHC Higgs data is then used to exclude significant portions of the parameter space of each RS scenario. The analysis will demonstrate that especially the loop-induced Higgs couplings are sensitive to KK particles of the custodial RS model with masses in the multi tera-electronvolt range. Finally, the effect of the RS model on three flavor observables associated with the b â sγ transition are examined. In particular, we study the branching ratio of the inclusive decay B â X_s γ , the time-dependent CP asymmetry S_{K^{*}γ} in the decay B â K^{*} γ, and the photon polarization parameter in the decay B â K_1 γ. It will be shown that the latter two processes are especially sensitive to the RS corrections considered in this work, which could be probed at future precision experiments. Gegenstand dieser Arbeit ist die Behandlung Schleifen-induzierter Prozesse in Theorien mit gekrümmten Extradimensionen. Diese sogenannten Randall-Sundrum (RS)-Modelle sind besonders attraktive Erweiterungen des Standardmodells (SM), da sie sowohl für das Hierarchieproblem im Eichsektor als auch für die Hierarchien im Flavorsektor Erklärungen liefern können. Die Arbeit fokussiert sich auf RS-Modelle mit Fermionen und Bosonen im Bulk und einem Higgs-Sektor auf bzw. nahe der Infrarot-Brane. Die Kaluza-Klein (KK)-Anregungen der Bulkfelder können signifikant zu den in dieser Arbeit behandelten Schleifen-induzierten Prozessen beitragen und daher indirekt auf die Existenz von gekrümmten Extradimensionen schließen lassen. Der analytische Teil dieser Arbeit befasst sich mit der detaillierten Berechnung von drei Schleifen-induzierten Prozessen in o.g. RS-Modellen: dem Higgs-Produktionsprozess über Gluonfusion, dem Higgszerfall in zwei Photonen und dem Flavor ändernden neutralen Strom b â sγ. Eine ausführliche, fünfdimensionale (5D) Analyse wird zeigen, dass die Amplituden der Higgsprozesse als Integrale über 5D Propagatoren mit dem Higgsprofil entlang der kompakten Extradimension ausgedrückt werden können. Zu diesem Zweck werden die 5D Boson- und Fermionpropagatoren in einem gekrümmten 5D Hintergrund hergeleitet, wobei der Fermionpropagator erstmals mit der exakten Abhängigkeit von den Yukawa-Matrizen und der vollen drei-Generationen-Flavorstruktur berechnet wird. Ein wichtiges Ergebnis dieser Arbeit ist, dass die sich widersprechenden Resultate in der Literatur durch zwei sich unterscheidende, nicht stetig ineinander überführbare Versionen des RS-Modells erklärt werden können. Der b â sγ Übergang enthält zwei unendliche KK-Summen und wird deshalb gesondert behandelt. Es wird argumentiert, dass die Summation über alle KK-Moden zu einem endlichen Ergebnis führt, für das ein approximativer Ausdruck hergeleitet wird. Im phänomenologischen Teil der Arbeit werden die Voraussagen für alle wichtigen Higgskopplungen sowohl mit den gegenwärtigen als auch den zukünftigen Sensitivitäten des Large Hadron Collider (LHC) und dem geplanten International Linear Collider verglichen. Die neuesten Higgs-Daten des LHC werden dazu verwendet um signifikante Regionen des Parameterraums jedes RS-Szenarios auszuschließen. Die Analyse wird zeigen, dass die Higgskopplungen sensitiv auf KK-Teilchen sind, deren Massen bis in den multi-Teraelektronenvolt-Bereich reichen. Abschließend werden die Auswirkungen des RS-Modells auf drei auf b â sγ basierenden Flavor-Observablen untersucht. Speziell wird auf das Verzweigungsverhältnis des inklusiven Zerfalls B â X_s γ, die zeitabhängige CP-Asymmetrie S_{K^{*}γ} im Zerfall B â K^{*} γ und auf die Polarisation des Photons im Zerfall B â K_1 γ eingegangen. Es wird gezeigt, dass die letzteren beiden Prozesse sensitiv auf die in der Arbeit gefundenen RS Korrekturen sind, was durch zukünftige, sehr genaue Messungen einen Hinweis auf die Existenz von gekrümmten Extradimensionen geben könnte.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1513
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-39271
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen