Master Thesis at CFTP

Título: Propriedades de Modelos com vários Higgs
Orientadores:
João P. Silva e Jorge C. Romão
Contacto: jpsilva@cftp.tecnico.ulisboa.pt, jorge.romao@tecnico.ulisboa.pt

Descrição: Em Julho de 2012 foi anunciado no CERN a descoberta da partícula de Higgs, prevista em 1964 por Higgs, Englert e Brout. Os dois primeiros viriam a ter o Prémio Nobel de 2013. Esta partícula corresponde a um campo de spin zero, necessário para dar massa às restantes partículas do Modelo Standard das Interações Electrofracas. Não há nada de fundamental na teoria que determine o número de partículas escalares. Assim, ao mesmo tempo que se determinam as propriedades da partícula encontrada, é necessário procurar que alterações se prevêem caso existam mais partículas escalares; os chamados modelos de multi-Higgs. Neste projecto, pretende-se explorar as consequências para o LHC da presença de mais do que um Higgs. O projecto poderá ter mais interface com as experiências ou ser mais teórico, consoante os interesses da/o aluna/o

Título: Mecanismos dinâmicos na origem da matéria (Dynamical mechanisms at the origin of matter)
Orientadores: Ricardo González Felipe
Contacto: ricardo.felipe@tecnico.ulisboa.pt

Descrição: Uma das questões fundamentais ainda não resolvidas na física de partículas é explicar porque o nosso Universo é dominado por matéria e não observamos antimatéria nele. A observação desta assimetria matéria-antimatéria constitui também uma evidência da existência de física para além do modelo padrão das interacções fortes e electrofracas. Na tentativa de encontrar uma solução para este problema, várias abordagens e modelos teóricos têm sido propostos ao longo dos últimos anos. Em particular, a leptogénese é um dos mecanismos mais apelativos para explicar esta assimetria, dada a sua relação estreita com a física de neutrinos. Neste projecto, pretende-se abordar algumas das questões em aberto neste campo.

Título: O papel das simetrias na física de sabor (The role of symmetries in flavour physics)
Orientadores: Ricardo González Felipe
Contacto: ricardo.felipe@tecnico.ulisboa.pt

Descrição: A origem das massas e misturas dos fermiões constitui um dos problemas fundamentais ainda não resolvidos na física de partículas. Uma possibilidade de abordar esta questão consiste em estender o modelo padrão das interacções electrofracas e fortes postulando a existência de simetrias (horizontais) de família. Em particular, o uso de simetrias discretas de sabor tem-se tornado popular pelo poder preditivo destas para explicar os ângulos de mistura medidos recentemente nas experiências de oscilações de neutrinos. Algumas das questões em aberto neste campo serão abordadas neste projecto.

Título: Discrete Symmetries and Proton Decay in GUT Models
Orientadores: David Emmanuel-Costa
Contacto:david.costa@tecnico.ulisboa.pt

Descrição: The idea to unify three of the four known interactions observed at low energ y, namely the strong, electromagnetic and weak interactions has attracted ma ny theorists during the last decades. If one evolves the gauge couplings in the Standard model (SM), they seem to unify at a high scale, fewer orders be low to the Planck scale, which is a hint for Grand Unified Theories (GUT). M ost GUT models consist of unifying the group structure of the SM in a unique simple group, resulting on the unification of matter multiplets and their i nteractions. Thus, GUTs models are a beautiful framework for studying fermio n masses and their mixings. Because of matter unification, proton decay is one of the direct consequences of grand unification. Another beautiful aspect of many GUT models is the generation of neutrino masses which is a feature not present of the SM. During this project the student will learn aspects of group theory, fermion masses in GUT framework including extra flavour symme tries, Textures zeroes, Proton decay, CP violation and other aspects of flav our physics. The different topics enumerated are also fundamental in other contexts of particle physics even beyond the Grand Unification. The proposal is to understand which are the discrete flavour symmetries that lead to the absence of proton decay via coloured triplets, in SUSY and/or w ithout SUSY, and the study of their consequences in the zero pattern for the fermion masses.

Título: Search for a Realistic Orbifold Grand Unification
Orientadores: David Emmanuel-Costa
Contacto:david.costa@tecnico.ulisboa.pt

Descrição: The quest for unification with gravity points towards supersymmetry and high er dimensions. Higher-dimensional grand unified theories (GUTs) compactified on an orbifold possess attractive features as a realistic model. An orbifol d is a space obtained by dividing a manifold with some discrete symmetries, having fixed points, which transform into themselves under the discrete tran sformation. One of the main features of orbifold compactifications is to all ow breaking the gauge symmetry of GUT to the standard model gauge group in a n attractive and simple manner. In particular, the breaking of the GUT symme try automatically yields the required doublet- triplet splitting of Higgs fi elds. Several SU(5) models have been constructed in five dimensions (5d), wh ereas six dimensions are required for the breaking of SO(10). The student wh o chooses this exciting topic will start by learning unified gauge theories, including fermions masses, CP violation, orbifold GUT constructions. Specia l emphasis will be given to an orbifold SO(10) GUT model in 6D space-time an d their implications to the fermion masses.

Título: Lattice QCD, simulação de Cromodinâmica Quâtica usando placas gráficas.
Orientadores: Pedro Bicudo, Marco Cardoso, Nuno Cardoso
Contacto: bicudo@tecnico.ulisboa.pt

Descrição: A solução da Cromodinâmica Quântica (QCD), que foi desenvolvida com diversos prémios Nobel nos anos 60 e 70, é dos mais importantes problemas em aberto em física fundamental. No modelo Standard da Física de Partículas, todas as interacções se conseguem calcular analiticamente com excelente precisão, excepto a QCD. A QCD tem uma interação muito forte, não linear, em que o próprio campo electromagnético de cor é carregado e os quarks e gluões são confinados. A única técnica que conhecemos que pode vira a resolver a QCD é numérica, a lattice QCD, proposta por Ken Wilson. Na prática discretizamos o espaço-tempo numa rede a 4 dimensões, e simulamos universos com uma extensão da ordem de apenas alguns Fermi/femtometros, nos quais incluímos todas as possíveis excitações quânticas, com técnicas de Monte Carlo. A discretização do espaço-tempo é interessante matemáticamente pois leva a estudar as variantes discretas dos teoremas e as simetrias da teoria quântica do campo. É uma técnica que requer computação de alta performance (HPC). O CFTP é apoiado pela NVIDIA para programação em CUDA das placas gráficas. Uma boa placa gráfica equivale ao poder de cálculo de várias centenas de PCs. Neste tema de mestrado de fisica teórica e de física computacional pretende-se estudar gluões e fermiões leves discretizados numa rede. Pretende-se estudar um caso tecnicamente simples de lattice QCD onde o aluno possa rapidamente chegar a um resultado original, e submeter um a dois artigos a uma revista internacional com Referee. A lattice QCD tem a grande vantagem de abrir muitas outras portas para os alunos, não só para HPC nas diferentes áreas da física e da engenharia, mas também para outros problemas fundamentais. Por exemplo a quantificação da gravidade geral está a ser estudada com ideias e técnicas inspiradas na QCD, como as teorias de cordas inspiradas nas QCD strings, ou a Loop Quantum Gravity e a Causal Dynamical Triangulation que discretizam o espaço.

Título: Beyond the Standard Model with Multi-Higgs
Orientadores: Margarida Nesbitt Rebelo, Gustavo Castelo-Branco
Contacto: rebelo@tecnico.ulisboa.pt, gbranco@tecnico.ulisboa.pt

Descrição: There are several good motivations to extend the scalar sector of the Standard Model (SM). Models with an extended scalar sector usually have new sources of CP violation. It is already established that the SM cannot account for the observed baryon asymmetry of the Universe requiring new sources of CP violation. Furthermore some of these extensions may also provide good dark matter candidates. In addition, the existence of a richer scalar sector has important implications for flavour physics.The Large Hadron Collider (LHC) at CERN continues its experimental quest for Physics Beyond the Standard Model after its recent major discovery of one Higgs boson.
The future of this field is exciting! The directions of the research work will depend on specific interests of the student. The student will start by being introduced to this important topic of research.

Título: Physics Beyond the Standard Model in the Leptonic Sector
Orientadores: Margarida Nesbitt Rebelo, Gustavo Castelo-Branco
Contacto: rebelo@tecnico.ulisboa.pt, gbranco@tecnico.ulisboa.pt

Descrição: In the standard model, neutrinos are strictly massless. As a result, one can conclude that the observation of neutrino masses and oscillations provides clear evidence for Physics Beyond the SM. With massive neutrinos there may be CP violation in the leptonic sector, unlike in the standard model where there is neither mixing nor CP violation in the leptonic sector. The fact that neutrinos have no electrical charge allows for more terms to be present in the Lagrangian than in the quark sector, and this has extremely important phenomenological implications. In particular it allows for a new mechanism to explain why there is matter in the Universe rather than just radiation. Without matter life would not be possible. This new mechanism is called Leptogenesis. The directions of the research work will depend on specific interests of the student. The student will start by being introduced to this important topic of research.

Título: Extra Dimensions and New Physics.
Orientadores: J.I. Silva-Marcos
Contacto: juca@cftp.tecnico.ulisboa.pt

Descrição: We expect to find New Physics at the LHC-CERN. There is no known fundamental principle why the Universe should have only 4 dimensions. Extra dimension (ED) models are inspired by string theory, which itself is based on the existence of additional spatial dimensions. As known, string theory is a main candidate for an all-including quantum theory which allows for gravity, thus unifying all elementary particle interactions. ED models have some advantages over supersymmetric theories (which is another serious candidate for New Physics). Besides the fact that they lead to the unification of the gauge couplings, either at high 10^16 GeV scales for small warped extra dimension models, or at the lower TeV scales for large flat ED models, they also address the long standing puzzle of the gauge hierarchy problem, i.e. the huge discrepancy between the gravitational scale and the electroweak scale. Furthermore, there is a viable Kaluza-Klein WIMP candidate for the dark matter of the universe. In addition, ED models explain the large mass hierarchy of the different types and generations of the SM fermions through a geometrical mechanism. But what are the finer points of the fermion mass hierarchy, mixing and CP violation, within ED models?
We also shall explore New Physics, in particular models inspired on ED, with vector-like (extra) quarks and multi-Higgs models.
Título: Kinematic preferences for the 750 GeV diphoton signal.
Orientadores: Igor Ivanov
Contacto: igor.ivanov@tecnico.ulisboa.pt

Descrição: For several decades, particle physicists have been searching for hints of New Physics, a fundamental theory which must replace the Standard Model we currently have. Up to now, no definitive New Physics signals have been detected. In December 2015, the two LHC collaborations reported a peculiar excess in the two-photon channel around 750 GeV, and it resulted in a hurricane of theoretical publications. Hundreds of theoretical models could accommodate this signal, but without further data, we cannot safely distinguish them. However some information can be extracted even right now on purely kinematical basis. If two photons appear in (cascade) decays of hypothetical heavy particle(s), the exact invariant mass profile of the excess depends on the phase space available and on the number of accompanying undetected particles. In this project, we will derive the invariant mass shapes for various assumptions on decay multiplicity, and check which one gives a better fit to the data. This project will allow a student to obtain a concrete scientific result and to quickly jump into an activity at the bleeding edge of particle physics.