Phenomenology of Compositeness at the LHC

The hierarchy problem of the weak scale calls for extensions of the Standard Model at the TeV, and thus within the reach of the CERN Large Hadron Collider (LHC). One of the best motivated proposals builds on the idea that the Higgs could be a composite pseudo-Nambu-Goldstone boson. In this thesis we discuss several topics in the phenomenology of composite Higgs models, concentrating mainly on LHC physics. In Chapter 1 we introduce the hierarchy problem and the essential features of viable theories of compositeness at the TeV scale. Chapter 2 is dedicated to a review of concrete constructions realizing the composite Higgs idea, focusing mostly on models with partial compositeness. In Chapter 3 we present the effective Lagrangians suited for describing the Higgs boson and the constraints placed by electroweak precision tests on their parameters. Motivated by hints in the experimental results, we also reconsider the possibility of custodial breaking in the couplings of the Higgs to the W and Z. Chapter 4 is devoted to two different aspects of Higgs physics at the LHC. First we discuss the loop-induced Higgs couplings to photons and gluons in the context of compositeness, focusing on the contribution of fermionic resonances, which are expected to be relatively light (< 1 - 1.5 TeV) by naturalness arguments. We point out the potentially important role of double Higgs production in providing indirect information on the resonances. Then we turn our attention to the coupling of the Higgs to the top quark, which is currently poorly constrained. We argue that single top and Higgs associated production can be used to probe the sign of this coupling. The phenomenology of fermionic resonances is discussed in Chapter 5. We analyze their impact on electroweak precision data and the constraints from LHC searches for heavy vector-like quarks. The latter give lower bounds in the range 700 - 800 GeV, implying that the exploration of the natural region has already started. Chapter 6 is devoted to the phenomenology of heavy vectors, which are generically subject to a strong constraint (m_rho > 2 - 2.5 TeV) from the S parameter. After a general introduction we study in detail an isospin-singlet W', which, as we will explain, is rather weakly constrained and could thus be lighter than the aforementioned bound. We point out that the subleading decay of the resonance into a W and a photon would constitute a signal of compositeness. Finally, Chapter 7 contains our conclusions.

Il problema della gerarchia della scala elettrodebole suggerisce che il Modello Standard (MS) debba essere esteso alla scala del TeV, la quale e' in corso di esplorazione al Large Hadron Collider (LHC) del CERN. Una delle estensioni piu' motivate del MS si basa sull'idea che il bosone di Higgs sia uno stato composto, ed in particolare che sia uno pseudo-bosone di Nambu-Goldstone. Questa tesi affronta vari aspetti della fenomenologia dei modelli di Higgs composto, concentrandosi soprattutto sulla fisica del LHC. Il Capitolo 1 introduce il problema della gerarchia e le proprieta' fondamentali delle teorie che mirano a descrivere in modo realistico fisica fortemente interagente alla scala del TeV. Nel Capitolo 2 vengono presentati i modelli realistici che incarnano l'idea di un Higgs composto, con particolare attenzione alle realizzazioni basate sul meccanismo di "partial compositeness". Nel Capitolo 3 vengono introdotte le Lagrangiane effettive che descrivono il bosone di Higgs e i vincoli posti dai test di precisione del MS sui parameteri di tali Lagrangiane. Inoltre, prendendo spunto dai risultati sperimentali, viene riconsiderata la possibilita' che la simmetria custodiale sia violata negli accoppiamenti dell'Higgs al W e alla Z. Il Capitolo 4 analizza due diversi aspetti della fisica dell'Higgs al LHC. In primo luogo vengono discussi gli accoppiamenti radiativi dell'Higgs a fotoni e gluoni nel contesto di una teoria fortemente interagente alla scala del TeV, concentrandosi in particolare sul contributo delle risonanze fermioniche, attese essere relativamente leggere (< 1 - 1.5 TeV) in base ad argomenti di naturalezza. Viene sottolineata l'importanza del processo di doppia produzione di Higgs, che potrebbe fornire informazioni indirette sulle risonanze. La seconda parte del capitolo si concentra invece sull'accoppiamento dell'Higgs al quark top, accoppiamento che ad oggi e' vincolato solo molto debolmente. Si fa notare che il processo di produzione associata di un singolo top e di un Higgs puo' dare informazioni sul segno di questo accoppiamento. La fenomenologia delle risonanze fermioniche e' discussa nel Capitolo 5. Vengono analizzati l'impatto delle risonanze sui test di precisione e i vincoli da ricerche dirette di fermioni pesanti a LHC. Queste ultime costringono le masse delle risonanze ad essere piu' grandi di 700 - 800 GeV, il che implica che l'esplorazione della regione naturale dello spazio dei parametri e' gia' iniziata. Il Capitolo 6 e' dedicato alla fenomenologia dei vettori pesanti, che sono generalmente soggetti a un forte vincolo (m_rho > 2 - 2.5 TeV) dovuto al parametro elettrodebole S. Dopo un'introduzione a carattere generale, l'attenzione viene concentrata su una particolare risonanza, un W' assunto essere un singoletto di isospin. Come verra' discusso in dettaglio, questa risonanza e' soggetta a vincoli relativamente deboli e potrebbe quindi essere piu' leggera del limite inferiore sopra citato. Si fa notare che il decadimento del W' in un W e un fotone costituisce un segnale peculiare di una teoria fortemente interagente. Il Capitolo 7, infine, contiene le conclusioni della tesi.