Physics of higher spin fields

Abstract

Spin-3/2 fields are the next spin multiplet we look for in the general particle search. Although these fields can be either fundamental vector-spinors or just excited leptons and quarks we assume that they are fundamental throughout this thesis. These higher-spin fields, described by the Rarita-Schwinger equations have to obey certain constraints to have correct degrees of freedom when they are on the physical shell. \par In the first chapter after the introduction, we introduce these spinor-vector fields to the reader by first going through the different representations that can be employed to describe them. We then recapitulate some facts on the most general free lagrangian and the propagator for these fields. \par In the next chapters we investigate different phenomenological implications. We start out in chapter \ref{chap:1} with a massive spin-3/2 field hidden in the standard model (SM) spectrum thanks to the form of the special interaction that vanishes when the field falls into the mass shell. Different collider signatures are investigated through analytical computations and numerical predictions. \par In chapter \ref{chap:2}, we assume that the Higgs boson stays stable via a finely tuned hidden sector which involves a spin-3/2 field that is split from the SM and whose sole contact with it at the renormalizable level is through the neutrino portal. Then, the total mass correction to the Higgs mass is used as a constraint to calculate the mass scale of the spin-3/2 field. \par Lastly, we investigate the possible role that a spin-3/2 field could play in leptogenesis. Our model incorporates a spin-3/2 field in addition to the type-I see-saw fields in inducing the CP asymmetry and mitigating the naturalness problem of the Higgs boson. We investigate the plausibility in regard to successful leptogenesis with no side effects, specifically the naturalness of the Higgs boson and correct prediction of the active neutrino masses.

Spin-3/2 alanlar genel parçacık araştırmalarında aradığımız sıradaki spin çoklusudur. Bu alanlar temel vektör spinörler ya da sadece uyarılmış lepton veya kuarklar olabildikleri halde bu tez boyunca temel alanlar oldukları varsayılmıştır. Rarita-Schwinger denklemleri ile tanımlanan bu yüksek spinli alanlar fiziksel kütle kabuğunda olduklarında doğru serbestlik derecelerine sahip olabilmek için bazı kısıtları sağlamak zorundadırlar. \par Birinci bölümde, bu spinör-vektör alanlar öncelikle kendilerini tanımlamak için kullanılan farklı gösterimler üzerinden geçilerek okuyucuya tanıtılmıştır. Daha sonra bu alanların en genel lagranjiyeni ve propagatörü hakkında bazı unsurlar özetlenmiştir. \par Daha sonraki bölümlerde farklı fenomenolojik olgular incelenir. Üçüncü bölümde kütle kabuğuna geldiğinde yok olan özel bir etkileşim şekli sayesinde standard model (SM) tayfında gizlenen kütleli bir spin-3/2 alanla başlanmıştır. Analitik hesaplamalar ve nümerik tahminler yoluyla farklı çarpıştırıcı sinyalleri araştırılmıştır. \par Dördüncü bölümde, Higgs bozonunun standard modelden ayrık ve SM ile renormalize düzeyde yegane teması nötrino portalı üzerinden olan ince ayarlı bir saklı sektör vasıtası ile kararlı kalabildiği varsayılmıştır. Sonra, Higgs kütlesine gelen toplam kütle düzeltmesi spin-3/2 alanın kütle skalasını hesaplamak için bir kısıt olarak kullanılmıştır. \par Son olarak, spin-3/2 alanın leptogenesis içerisinde oynayabileceği muhtemel rol araştırılmıştır. Modelimiz CP asimetrisi indüklemede ve Higgs bosonunun doğallık problemini gidermede tip-I see-saw alanlarına ek olarak bir spin-3/2 alan içerir. Başarılı ve yan etkilerden muaf leptogenesis olasılığı, Higgs bozonunun doğallığı ve aktif nötrinoların kütlelerinin doğru tahmini bağlamında irdelenmiştir.