Predictions in cosmology and particle physics from effective models of string theory origin
Authors: Ταβελλάρης Ηλίας 
Published: November 2024

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.