Impatto di Nuova Fisica oltre il Modello Standard sulla stabilità del vuoto elettrodebole

Our current knowledge of particle physics, in particular after the discovery of the Higgs boson, tells us that our Universe is not sitting in its most stable state, which is its ground state. Since everything in Nature tends to reach such a state, the Universe will decay towards it, with inevitable consequences on its very existence. The results we obtain from the Standard Model tell us that this decay will take place after a time that is enormously greater than the current age of the Universe. However we also expect that there is still unknown New Physics that completes our knowledge on the interactions between fundamental particles, and such physics can have an impact on the stability of the electroweak vacuum. In particular, several works published in the last decade have shown that, in a flat spacetime background, this New Physics could trigger a more rapid decay towards the ground state. In this Ph.D. thesis, the problem of the stability of the Universe was therefore studied in a more complete context, i.e. considering also the presence of gravity. Using general models of New Physics, it has therefore been shown that gravity tends to have a stabilizing effect on the decay of the electroweak vacuum. Nonetheless, gravity fails to wash out the effects of the New Physics, so in some situations it would imply a very near decay or even a decay that should have already occurred. In the latter case, the corresponding New Physics model must obviously be discarded, as it cannot describe the Universe we observe. However, it has also been shown that the introduction of a direct coupling between the Higgs boson and gravity can provide a stabilizing mechanism that saves the Universe from this decay, as it generates a washing out of the New Physics effects. Finally, we went on to investigate the problem of the stability of the electroweak vacuum in two specific New Physics models. First of all, theories of minimal embeddings of the Standard Model in Supergravity framework have been studied, showing that in these contexts it is possible to introduce further stabilization mechanisms through the use of appropriate discrete symmetries. Secondly, this problem has been studied in the Two Higgs Doublet Model, which is a model that presents a rich proliferation of vacuum states and particles, and the calculation of the decay time has been used as an additional discriminant to reduce the space of the parameters of the theory. However, in the latter case, the study of the stability of the electroweak vacuum was limited only to the case of flat spacetime, leaving the inclusion of gravity for future studies.

Le nostre attuali conoscenze sulla fisica delle particelle, soprattutto a seguito della scoperta del bosone di Higgs, ci dicono che il nostro Universo non si trova nel suo stato più stabile, ovvero il suo stato fondamentale. Poiché in Natura tutto tende a raggiungere tale stato, l’Universo è destinato a decadere verso di esso, con conseguenze inevitabili sulla sua stessa esistenza. I risultati che ricaviamo dal Modello Standard ci dicono che questo decadimento avverrà dopo un tempo enormemente più grande dell’attuale età dell’Universo. Tuttavia ci aspettiamo anche che esista Nuova Fisica ancora sconosciuta che completi la nostra conoscenza sulle interazioni tra le particelle fondamentali, e tale fisica può avere un impatto sulla stabilità del vuoto elettrodebole. In particolare, diversi lavori condotti nell'ultimo decennio in un background di spaziotempo piatto hanno mostrato che questa Nuova Fisica potrebbe favorire un decadimento più rapido verso lo stato fondamentale. In questo lavoro di tesi di dottorato si è quindi studiato il problema della stabilità dell'Universo in un contesto più completo, ovvero considerando anche la presenza di gravità. Utilizzando modelli generali di Nuova Fisica, si è dunque mostrato che la gravità tende ad avere un effetto stabilizzante sul decadimento del vuoto elettrodebole. Nonostrante ciò, la gravita non riesce a fare un washing out degli effetti della Nuova Fisica, per cui in alcune situazioni essa implicherebbe un decadimento molto prossimo o addirittura un decadimento che dovrebbe essere già avvenuto. In quest'ultimo caso, il corrispondente modello di Nuova Fisica deve ovviamente essere scartato, in quanto non può descrivere l'Universo che osserviamo. Tuttavia, si è anche mostrato che l'introduzione di un accoppiamento diretto tra il bosone di Higgs e la gravità può fornire un meccanismo stabilizzante in grado di salvare l'Universo da questo decadimento, in quanto esso attua un washing out degli effetti di Nuova Fisica. Infine, si è passati a investigare il problema della stabilità del vuoto elettodebole in due modelli di Nuova Fisica specifici. In primo luogo, si sono studiate teorie di minimal embeddings del Modello Standard in framework di Supergravity, mostrando che in questi contesti è possibile introdurre ulteriori meccanismi di stabilizzazione tramite l'utilizzo di opportune simmetrie discrete. In secondo luogo, si è studiato tale problema nel Two Higgs Doublet Model, il quale è un modello che presenta una ricca proliferazione di stati di vuoto e di particelle, e si è usato il calcolo del tempo di decadimento come ulteriore discriminante per ridurre lo spazio dei parametri della teoria. Tuttavia, in quest'ultimo caso, lo studio della stabilità del vuoto elettrodebole è stato limitato al solo caso di spaziotempo piatto, lasciando l'inclusione della gravità a studi futuri.