Predictions in cosmology and particle physics from effective models of string theory origin

Abstract

This doctoral dissertation explores various aspects of particle physics and cosmology, with an initial focus on supersymmetry, followed by an investigation into F-theory. Initially we begin with a realistic SO(10) supersymmetric model, where fermion families are organized into three 16-plets. This model reproduces the low-energy Standard Model (SM) and successfully implements inflation via a superpotential with a U(1)R symmetry. SO(10) symmetry breaks down to the SM through specific Higgs representations, allowing for fermion mass generation, CKM mixings, and a doublet-triplet splitting mechanism that maintains light Higgs doublets. The model’s inflationary predictions align well with observational data, and during reheating, right-handed neutrinos from inflaton decay yield the observed baryon asymmetry via non-thermal leptogenesis. Moving beyond supersymmetry, in the next step, we analyze the cosmological implications of an effective field theory derived from type-IIB string theory where the Kähler moduli fields are stabilized and a de Sitter vacuum is ensured. Within this framework, we implement the standard hybrid inflation scenario where inflation is driven by a singlet scalar field, while Higgs fields act as waterfall fields. The model's alignment with cosmological data, notably through radiative corrections and soft supersymmetric terms, yields low tensor-to-scalar ratios and small contributions to dark radiation. Leaving inflation behind, we proceed with investigating of F-theory models featuring an extended SU(5) gauge group, augmented by a non-universal U(1)′ symmetry that couples differently to quark and lepton families. The SU(5) group stems from the maximal exceptional E8 gauge symmetry in an elliptically fibred internal space. In this set up, utilizing a Z2 monodromy group, rank-one fermion mass textures and top quark couplings are achieved at tree level, while the U(1)′ integrates smoothly with remaining abelian symmetries without anomalies. We explore model classes defined by distinct U(1)′ charges, evaluating their predictions against scenarios for B-meson anomalies seen in LHCb and BaBar. In the final step, we incorporate a vector-like fermion family to the previous set up to address deviations from SM predictions. Within this framework, we analyze how the addition of the vector-like family affects the phenomenology of the models, particularly regarding B-meson anomalies. We categorize 192 models into groups based on GUT properties, analyzing superpotential couplings, fermion mass matrices, and implications of R-parity violating terms, offering insights into potential new physics beyond the SM.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζει διάφορες πτυχές της σωματιδιακής φυσικής και της κοσμολογίας, ξεκινώντας με την υπερσυμμετρία και στη συνέχεια εξερευνώντας τη θεωρία-F. Αρχικά, παρουσιάζεται ένα ρεαλιστικό υπερσυμμετρικό μοντέλο SO(10), όπου οι οικογένειες φερμιονίων οργανώνονται σε τρεις 16-πλέτες. Το μοντέλο αυτό αναπαράγει το Καθιερωμένο Πρότυπο (ΚΠ) σε χαμηλές ενέργειες και εφαρμόζει με επιτυχία τον κοσμολογικό πληθωρισμό μέσω ενός υπερδυναμικού με συμμετρία U(1)R. Η συμμετρία SO(10) σπάει προς το ΚΠ μέσω συγκεκριμένων αναπαραστάσεων Higgs, επιτρέποντας τη δημιουργία μαζών για τα φερμιόνια, κατάλληλων μίξεων για τον CKM και ενός μηχανισμού διαχωρισμού doublet-triplet που διατηρεί ελαφριές τις διπλέτες Higgs. Οι πληθωριστικές προβλέψεις του μοντέλου είναι συνεπείς με τα παρατηρησιακά δεδομένα, ενώ κατά την επαναθέρμανση, τα δεξιόστροφα νετρίνα από τη διάσπαση του πεδίου του πληθωρισμού (inflaton) εξηγούν την παρατηρούμενη βαρυονική ασυμμετρία μέσω μη θερμικής λεπτογένεσης. Πέρα από την υπερσυμμετρία, στο επόμενο βήμα, προχωράμε στην ανάλυση κοσμολογικών συνεπειών ενός μοντέλου ενεργής θεωρίας πεδίου που προκύπτει από τη θεωρία χορδών τύπου-IIB, όπου τα πεδία Kähler σταθεροποιούνται και εξασφαλίζεται κενό de Sitter. Σε αυτό το πλαίσιο, εφαρμόζουμε το τυπικό σενάριο υβριδικού πληθωρισμού, όπου ο πληθωρισμός καθοδηγείται από ένα singlet βαθμωτό πεδίο, ενώ τα πεδία Higgs λειτουργούν ως πεδία καταρράκτη (waterfall fields). Η συμφωνία του μοντέλου με τα κοσμολογικά δεδομένα, κυρίως μέσω ακτινοβολιακών διορθώσεων (radiative corrections) και μαλακούς όρους σπασίματος την υπερσυμμετρίας (soft supersymmetry breaking terms), αποφέρει μικρές αναλογίες τανυστή προς βαθμωτό (r) και μικρές συνεισφορές στη σκοτεινή ακτινοβολία. Αφήνοντας τον πληθωρισμό πίσω, προχωράμε στην διερεύνηση μοντέλων θεωρίας-F με μια διευρυμένη ομάδα βαθμίδας SU(5), ενισχυμένη με μια μη-καθολική συμμετρία U(1)′, η οποία συνδέεται διαφορετικά με τις οικογένειες κουάρκ και λεπτονίων. Η ομάδα SU(5) προέρχεται από τη μέγιστη εξαίρετη συμμετρία E8 σε ένα ελλειπτικά ινώδη εσωτερικό χώρο. Σε αυτή τη διάταξη, αξιοποιώντας μια ομάδα μονοδρομίας Z2, επιτυγχάνεται υφή μαζών φερμιονίων βαθμού-ένα και σύζευξη του κορυφαίου κουάρκ σε επίπεδο tree-level, ενώ η U(1)′ ενσωματώνεται αρμονικά με τις υπόλοιπες αβελιανές συμμετρίες χωρίς ανωμαλίες. Εξετάζουμε κατηγορίες μοντέλων που προσδιορίζονται από διακριτά φορτία U(1)′, αξιολογώντας τις προβλέψεις τους σχετικά με τις ανωμαλίες B-μεσονίων που παρατηρούνται στα πειράματα LHCb και BaBar. Στο τελικό βήμα, ενσωματώνουμε μια οικογένεια φερμιονίων διανυσματικού τύπου στην προηγούμενη διάταξη για να αντιμετωπίσουμε τις αποκλίσεις από τις προβλέψεις του ΚΠ. Σε αυτό το πλαίσιο, αναλύουμε πώς η προσθήκη αυτή επηρεάζει τη φαινομενολογία των μοντέλων, ιδιαίτερα όσον αφορά τις ανωμαλίες των B-μεσονίων. Κατηγοριοποιούμε 192 μοντέλα σε ομάδες βάσει των ιδιοτήτων GUT, αναλύοντας τις συζεύξεις του υπερδυναμικού, τους πίνακες μαζών των φερμιονίων και τις συνέπειες των όρων παραβίασης της R-parity, προσφέροντας ενδείξεις για πιθανή φυσική πέραν του ΚΠ.