Scalars beyond the Standard Model: Composite Higgs, dark matter and neutrino masses

This thesis deals with Composite Higgs (CH) models, dark matter and neutrino masses. In CH models, the Higgs is a pseudo-Goldstone boson of a high-energy strong dynamics. We construct CP-even and CP-odd bosonic effective chiral Lagrangian for a generic symmetric coset G/H. Assuming that the only sources of custodial symmetry are the ones present in the SM, we study the projection of this Lagrangian into the low-energy SM chiral Lagrangian. This is applied in three particular scenarios: the original SU(5)/SO(5) Georgi-Kaplan model, the minimal custodialpreserving SO(5)/SO(4) model and the minimal SU(3)/(SU(2)×U(1)) model, which intrinsically breaks custodial symmetry. We furthermore consider an extension of the Standard Model involving two new scalar particles around the TeV scale: a singlet neutral scalar φ, to be eventually identified as the Dark Matter candidate, plus a doubly charged SU(2)L singlet scalar, S++, that can be the source for the nonvanishing neutrino masses and mixings. Assuming an unbroken Z_2 symmetry in the scalar sector, under which only the additional neutral scalar φ is odd, we write the most general (renormalizable) scalar potential. This model may be regarded as a possible extension of the conventional Higgs portal Dark Matter scenario which in addition accounts for neutrino masses and mixings. This framework cannot completely explain the observed positron excess. However a softening of the discrepancy observed in conventional Higgs portal framework can be obtained, especially when the scale of new physics responsible, for generating neutrino masses and lepton number violating processes, is around 2 TeV.

Questa tesi si occupa di studiare modelli di Higgs Composto (HC), materia oscura e masse dei neutrini. In modelli di tipo HC, lo scalare di Higgs è uno pseudo-bosone di Goldstone associato che origina dalla rottura di una simmetria forte ad alta energia. Nella tesi costruiamo la Lagrangiana chirale bosonica effettiva, per un generico coset simmetrico G/H, derivando esplicitamente tutti gli operatori (sia CP-even che CP-odd) che appaiono fino a quattro derivate. Supponendo che l’uniche fonte di rottura di simmetria custodial siano quelle già presente nel Modello Standard (MS), studiamo la proiezione di questa Lagrangiana sulla Lagrangiana chirale di bassa energia del MS. Particolareggiamo questo studio considerando tre scenari particolari: il modello originale di Georgi-Kaplan SU(5)/SO(5), il modello minimale con simmetria custodial, SO(5)/SO(4), ed il modello minimale senza simmetria custodial, SU(3)/(SU(2) × U(1)). Nella tesi consideriamo inoltre unestensione del MS che coinvolge due nuove particelle scalari con massa alla scala TeV: un singoletto scalare neutro φ, che sarà poi identificato come candidato di materia oscura e un singoletto di SU(2)L scalare con carica q = 2, S++, che può essere la fonte per le masse e del mixing dei neutrini. Supponendo l’esistenza di una simmetria Z_2 nel settore scalare, sotto la quale solo φ è dispari, scriviamo il potenziale scalare (rinormalizzabile) più generale possibile. Il modello si può vedere come una possible estensione dei modelli con Higgs Portal in cui si tiene anche conto del meccanismo con cui generare le masse e i mixings dei neutrini. Il modello da noi studiato, pur predice un eccesso di positroni, non tale tuttavia da poter spiegare l’eccesso di positroni sperimentalmente osservato. Pur tuttavia si possono ottenere dei limiti meno stringenti rispetto ai normali modelli di Higgs Portal, in particolare se la scala della nuova fisica, responsabile della generazione delle masse dei neutrini e dei processi che violano il numero leptonico, è intorno ai 2 TeV.