Unveiling New Physics Hints through the Higgs Sector

After reviewing the reasons to believe that the road to shed light to Beyond Standard Model physics pass through a better understanding of the Higgs sector, we outline two complementary approaches along this main line: either tackling the phenomenological challenge to extract as much information as possible from collider experiments, or undertaking a theoretical investigation of new physics scenarios in order to gain knowledge on possible explanations to the Higgs mysteries. In the first part of the dissertation, we adopt a phenomenological approach and discuss the general problem of including infrared Standard-Model-like corrections in a model-independent new physics characterisation of Higgs decay and production processes. We deal first with infrared electromagnetic corrections (bremsstrahlung), providing a compact formalism to generally describe fermion bremsstrahlung in leading logarithmic approximation and then exemplifying its effectiveness through the “h -> 2e 2mu” case study. Subsequently we switch to a discussion of double-logarithmic mass singularities stemming from the electroweak sector, which affects among the others also Higgs production processes in the high-energy regime. We provide here a detailed analysis of such mass singularities in generic new physics scenarios for the case study of Higgsstrahlung. In the second part of the dissertation, we adopt a complementary approach and perform a theoretical study of high-scale supersymmetry. We exploit the highly constrained structure of the Higgs sector in such theories, together with other of their important features such as gauge coupling unification and radiative breaking of electroweak symmetry, to draw intriguing conclusions regarding the viability of such theories in the plane of Higgs and top-quark masses.

Per svelare i misteri della fisica oltre il Modello Standard si deve innanzitutto capire appieno il Modello Standard stesso ed in particolare il settore di Higgs, di gran lunga il meno compreso. In questa dissertazione delineiamo due possibili approcci a tale riguardo: si può assumere un’atteggiamento fenomenologico, cercando di parametrizzare in maniera ottimale gli esperimenti ad LHC, oppure un punto di vista più formale cercando di aumentare la nostra comprensione teorica del settore di Higgs (nella speranza di comprenderne i misteri). Nella prima parte di questa dissertazione, affrontiamo la questione delle correzioni infrarosse nella fisica degli acceleratori di particelle. Il nostro obiettivo è una descrizione generale di tali correzioni, da poter utilizzare in modo “model-independent” quando si cerca di caratterizzare la fenomenologia di nuova fisica ad LHC. Innanzitutto ci focalizziamo sulle correzioni elettromagnetiche (bremsstrahlung), fornendo un formalismo compatto e generale per descrivere la bremsstrahlung da correnti fermioniche neutre. Esemplifichiamo poi i nostri risultati tramite l’esempio del decadimento “h -> 2e 2mu”. In seguito ampliamo la nostra discussione per includere le correzioni elettrodeboli, limitandoci ai cosiddetti contributi doppio-logaritmici (importanti per i processi di produzione dell’Higgs) e concentrandoci sul caso di produzione associata Higgs-Z e Higgs-W. Nella seconda parte di questa dissertazione adottiamo un approccio complementare e effettuiamo uno studio teorico di una classe di teorie supersimmetriche chiamate “high-scale SUSY”. Sfruttando la struttura estremamente rigida del settore di Higgs in tali teorie, traiamo conclusioni molto interessanti riguardo la loro fattibilità nel piano (“massa dell’Higgs”, “massa del top”).