In dieser Dissertation werden stark gekoppelte Modelle diskutiert, in denen das Higgs Boson kein elementares Teilchen ist, sondern zusammengesetzt ist. Diese Modelle liefern eine Erklärung für den Ursprung der elektroschwachen Symmetriebrechung, sowie eine Lösung des Hierarchieproblems. Stark gekoppelte Modelle stellen eine Alternative für schwach gekoppelte supersymmetrische Erweiterungen des Standardmodells dar und führen zu unterschiedlicher und interessanter Phänomenologie am Large Hadron Collider (LHC). In dieser Dissertation werden zwei bestimmte stark gekoppelte Modelle diskutiert, ein zusammengesetztes Higgs Modell mit partieller Zusammensetzung und das Littlest Higgs Modell mit T-Parität - ein zusammengesetztes Modell mit kollektiver Symmetriebrechung. Die Phänomenologie für den LHC wird in dieser Dissertation beschrieben und mit einem detaillierten Bericht über die Anwendbarkeit von effektiven Operatoren für diese Art von stark gekoppelten Modellen abgeschlossen.
Zuerst wird ein zusammengesetztes Higgs Modell mit partieller Zusammensetzung diskutiert. In diesem Modell können rechtshändige leichte Quarks signifikant zusammengesetzt sein, was dennoch kompatibel mit experimentellen Ergebnissen am LHC und mit Präzisionstests der Standardmodellkopplungen ist. In diesen Szenarien, welche ihre Motivation in der Flavourphysik haben, werden hohe Produktionswirkungsquerschnitte für neue Resonanzen erwartet, welche an leichte Quarks ankoppeln. Experimentelle Signaturen von rechtshändiger Zusammensetzung am LHC werden untersucht und Beschränkungen des Parameterraums dieser Modelle werden aus den neuesten Resultaten von ATLAS und CMS abgeleitet. Die Sensitivität des LHCs könnte durch gezielte Untersuchungen, inbesondere von Multi-Jet-Signalen, deutlich verbessert werden.
Das Littlest Higgs Modell mit T-Parität, welches eine attraktive Lösung des Hierarchieproblems liefert, wird danach diskutiert. Diese Lösung ist nur dann natürlich, wenn die intrinsische Symmetriebrechungsskala f relativ nahe an der elektroschwachen Skala liegt. Die Beschränkungen der neuesten Resultate des 8 TeV Durchlaufs am LHC wurden untersucht. Der Parameterraum des Modells wird, basierend auf einer Kombination aus elektroschwachen Präzisionsobservablen, Higgs Präzisionsphysik und direkten Untersuchungen am LHC, eingeschränkt. Diese Tests liefern stringente Grenzen für f und der Parameterraum wird langsam in das TeV Regime verschoben. Außerdem wird eine Strategie für das Optimieren von vorhandenen Supersymmetrie-Untersuchungen für das Littlest Higgs Modell mit T-Parität vorgestellt, mit dem Ziel der Verbesserung der Einschränkungen an den Parameterraum und der Erhöhung der Grenzen für f.
Schlussendlich wird die Robustheit der Anwendung von Beschränkungen durch effektive Operatoren auf Theorien jenseits des Standardmodells behandelt, was kritisch von der Masse und Kopplung des Teilchens abhängt. Dies ist besonders relevant für Hadronen-Beschleuniger, wo die partonische Schwerpunktsenergie sich um die typischen Energien von Theorien jenseits des Standardmodells befindet. Die Probleme der Anwendung von Grenzen durch effektive Operatoren werden für Z und G Modelle diskutiert, welche die Effekte für eine große Gruppe von Modellen illustrieren. Die Analyse zeigt, dass die Anwendbarkeit von effektiven Operatoren kritisch vom Verhältnis der Energie in Kollisionen und der Massenskala der vollständigen Theorie abhängt. Außerdem wird basierend auf diesen Resultaten eine Methode entwickelt, um experimentelle Grenzen durch effektive Operatoren auf Parameterräume der vollstäandigen Theorie um zu gestalten.
Es wird geschlussfolgert, dass stark gekoppelte Modelle der
elektroschwachen Symmetriebrechung natürlich und kompatibel
mit Resultaten des LHCs sind. Außerdem liefert diese Art von
Modellen neue und interessante Kollisionstopologien für
experimentelle Untersuchungen am LHC. Für die
Hochenergiedurchläufe des LHCs werden diese neuen
Untersuchungen sich als sehr nützlich erweisen, um das
Schicksal zusammengesetzter Modelle und somit vielleicht auch den
Ursprung der elektroschwachen Symmetriebrechung zu bestimmen.
In this thesis strongly coupled models where the Higgs boson is composite are discussed. These models provide an explanation for the origin of electroweak symmetry breaking including a solution for the hierarchy problem. Strongly coupled models provide an alternative to the weakly coupled supersymmetric extensions of the Standard Model and lead to different and interesting phenomenology at the Large Hadron Collider (LHC). This thesis discusses two particular strongly coupled models, a composite Higgs model with partial compositeness and the Littlest Higgs model with T-parity — a composite model with collective symmetry breaking. The phenomenology relevant for the LHC is covered and the applicability of effective operators for these types of strongly coupled models is explored.
First, a composite Higgs model with partial compositeness is discussed. In this model right-handed light quarks could be significantly composite, yet compatible with experimental searches at the LHC and precision tests on Standard Model couplings. In these scenarios, which are motivated by flavour physics, large cross sections for the production of new resonances coupling to light quarks are expected. Experimental signatures of right-handed compositeness at the LHC are studied, and constraints on the parameter space of these models are derived using recent results by ATLAS and CMS. Furthermore, dedicated searches for multi-jet signals at the LHC are proposed which could significantly improve the sensitivity to signatures of right-handed compositeness.
The Littlest Higgs model with T-parity, providing an attractive solution to the fine-tuning problem, is discussed next. This solution is only natural if its intrinsic symmetry breaking scale f is relatively close to the electroweak scale. The constraints from the latest results of the 8 TeV run at the LHC are examined. The model’s parameter space is being excluded based on a combination of electroweak precision observables, Higgs precision physics and direct searches at the LHC. These tests provide stringent limits on f and the parameter space is slowly driven into the TeV range. Furthermore, a strategy on how to optimise present supersymmetry searches for the Littlest Higgs model with T-parity is presented, with the goal to improve the constraints and yield more stringent limits on f.
Finally, the robustness of translating effective operator constraints to beyond the Standard Model (BSM) theories is treated and turns out to crucially depend on the mass and coupling of BSM particles. This is especially relevant for hadron colliders where the partonic centre of mass energy is around the typical energy scales of natural BSM theories. The caveats in applying limits from effective operators are discussed using Z and G models, illustrating the effects for a large class of models. This analysis shows that the applicability of effective operators mainly depends on the ratio of the transfer energy in the events and the mass scale of the full theory. Moreover, based on these results a method is developed to recast existing experimental limits on effective operators to the full theory parameter space.
It is concluded that strongly coupled models of electroweak symmetry breaking are still natural and compatible with LHC results. Moreover, these types of models provide new and interesting final state topologies for experimental searches at the LHC. For the high energy runs of the LHC these new searches will prove useful in determining the faith of composite models and maybe thereby the origin of electroweak symmetry breaking.