New heavy resonances: from the Electroweak to the Planck scale
Nouvelles résonances lourdes: de l'échelle Electrofaible à l'échelle de Planck
Résumé
The principle of local gauge invariance is a pillar of modern particle physics theories and in the SM relies on the ad-hoc gauge group structure $\SU{3}_c\times\SU{2}_L\times\U{1}_Y$. Extending this gauge group is very well motivated in a Grand Unified Theory (GUT) perspective in which the SM is the low-energy limit of a more fundamental theory based on a larger gauge group like \SO{10} or \E{6}. Indeed, the symmetry breaking (SB) of the underlying GUT gauge group, down to the SM one, leaves some additional group factors unbroken, such as \U{1} or \SU{2}. In this spirit, we focus in this manuscript on the phenomenology of extended gauge group models and on the new heavy neutral and charged resonances, generically called $\PZP$ and $\PWP$ predicted by these.
In this manuscript we present different aspects of the phenomenology of the \gtto models. After reviewing these extensions, we present a public tool, \pyrate, that aims at automating the calculation of RGEs at two-loop for arbitrary gauge theories and exemplify its use with the \gtto models. In a second part, we present our results for the calculation of the QCD corrections to the electroweak top-pair production as well as their implementation in a general purpose Monte Carlo generator allowing for a consistent matching of next-to-leading order (NLO) matrix elements with parton shower algorithms, the \pwhgb. We then review the status of our calculation of the QCD corrections to the electroweak single-top production. Finally, we present a different aspect of the phenomenology of new heavy resonances, $\PZP$, $\PWP$, by studying their impact on the interaction of ultra-high energy neutrinos in the atmosphere. For definiteness we consider the Pierre Auger Observatory, which is sensible to showers initiated by neutrinos of extreme energies up to $10^{12}$ GeV.
Le principe d'invariance de jauge local est au centre de la physique des particules moderne. Dans le mod\`ele standard (MS), il repose sur le groupe de jauge ad hoc $\SU{3}_c\times \SU{2}_L\times\U{1}_Y$. L'id\'ee d'\'etendre ce groupe de jauge est particuli\`erement attrayante dans une perspective de ``Grand Unified Theory'' (GUT) o\`u le MS est la limite basse \'energie d'une th\'eorie plus fondamentale bas\'ee sur un groupe de jauge beaucoup plus large tel que \SO{10} ou \E{6}. En effet, lors de la brisure de sym\'etrie du groupe de GUT au MS, des facteurs de groupe non-bris\'es suppl\'ementaires, tels que \U{1} ou \SU{2}, peuvent apparaitre. Ce manuscrit est consacr\'e \`a la ph\'enom\'enologie de mod\`eles avec un groupe de jauge \'etendu. En particulier, les \'etudes pr\'esent\'ees sont centr\'ees sur les mod\`eles bas\'es sur le groupe de jauge $\SU{2}\times\SU{2}\times\U{1}$ d\'enot\'es \gtto. De mani\`ere g\'en\'erique, ces mod\`eles pr\'edisent de nouveaux bosons de jauges, Z' et W'.
Apr\`es une br\`eve pr\'esentation des mod\`eles \gtto, un nouvau code publique, PyR@TE, qui permet de d\'eterminer les \'equations du groupe de renormalisation \`a deux boucles pour une th\'eorie de jauge g\'en\'erique est introduit. Ce code est ensuite utilis\'e pour d\'eterminer les RGEs des mod\`eles de la classe \gtto. La suite du manuscrit est d\'edi\'ee \`a la pr\'esentation des r\'esultats obtenus sur le calcul des corrections radiatives QCD de la production \'electrofaible d'une paire de quarks top dans le cadre des mod\`eles \gtto, i.e. en pr\'esence d'un nouveau boson de jauge Z'. Ces r\'esultats font l'objet d'une impl\'ementation dans le g\'en\'erateur d'\'ev\'enements Monte Carlo \pwhgb et les premiers r\'esultats num\'eriques obtenus sont pr\'esent\'es. Les derniers d\'eveloppements concernant le calcul des corrections QCD \`a la production \'electrofaible de single-top sont \'egalement revus. Enfin, la derni\`ere partie de ce manuscrit est consacr\'ee \`a l'\'etude de l'impact de nouvelles r\'esonances W', Z', telles que celles pr\'esentes dans les mod\`eles \gtto, sur l'interaction des neutrinos d'ultra-haute \'energie dans l'atmosph\`ere. Ces interactions sont recherch\'ees par l'observatoire Pierre Auger dans les douches de particules produites par l'interaction des rayons cosmiques avec les particules de l'atmosph\`ere.