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Flavoured neutrino mass models. a taste of leptons at low and high energies
Flavoured neutrino mass models. a taste of leptons at low and high energies
The only direct experimental evidence for physics beyond the Standard Model are the oscillations of neutrino species. Explaining this surprising discovery has led to a variety of potential New Physics models. Since neutrino oscillations demonstrate that lepton flavour is not conserved in Nature, New Physics models tend to introduce additional lepton flavour and sometimes even lepton number violating physics. The validity of any New Physics setting is assessed based on the consistency of its predictions with experimental data. In the near future, lepton flavour and/or number violating conversions of bound muons are expected to undergo the most dramatic experimental advances. By improving currents limits by several orders of magnitude, these reactions will become the most sensitive probe for charged lepton flavour/number violation. Therefore, exploring new opportunities such as these is essential to unravel novel physics beyond the Standard Model. The goal of this thesis is to contribute to improving the testability of New Physics models with respect to two different aspects, focusing on neutrino models with additional lepton flavour and/or lepton number violation. First, both the lepton flavour violating $\mu^-$-- $e^-$ conversion and the lepton flavour and lepton number violating $\mu^-$-- $e^+$ conversion require solid theoretical predictions to fully exploit their potential for investigating promising New Physics models. Since both types of bound muon conversions currently lack certain elements in their theoretical treatment, we work towards closing these gaps. To that end, we present our detailed and comprehensive computations which aim at making both processes accessible to the particle physics community. Furthermore, we compare predictions from a selection of New Physics models to current experimental data and future expected sensitivities. We also show how experiments at low energies, indirectly looking for New Physics via charged lepton flavour and lepton number violating processes, and experiments at high energies, directly looking for new particles, can provide complementary constraints. Thus, our results considerably strengthen the case for low-energy lepton flavour and lepton number violation searches being vital contributions to the search for physics beyond the Standard Model. Second, when deriving model predictions, one must take into account that many New Physics models are defined at high energy scales, whereas experimental oscillation data are measured at low energies. Since the parameters of a theory change with the energy scale under consideration, it is crucial to incorporate renormalisation group effects. In this context, we present the first comprehensive renormalisation group analysis of the Littlest Seesaw model. Our analysis demonstrates that the inclusion of running effects is crucial when confronting New Physics models with oscillation data., Der einzige direkte experimentelle Beweis für Physik jenseits des Standardmodells sind die Oszillationen der Neutrinoarten. Die Suche nach einer Erklärung für diese überraschende Entdeckung hat zu einer Vielzahl möglicher Modelle für Neue Physik geführt. Da Neutrinooszillationen gezeigt haben, dass die Leptonflavourzahl in der Natur nicht erhalten ist, tendieren Modelle Neuer Physik dazu eine darüber hinaus gehende Verletzung der Leptonflavourzahl und mitunter sogar der Gesamtleptonenzahl einzuführen. Die Gültigkeit dieser Konfigurationen Neuer Physik wird anhand der Vereinbarkeit ihrer Vorhersagen mit den experimentellen Daten bewertet. In naher Zukunft wird erwartet, dass die Umwandlungen gebundener Myonen, welche die Leptonflavour- und/oder Gesamtleptonenzahl verletzen, die deutlichsten experimentellen Fortschritte erfahren werden. Durch die Verbesserung der aktuellen experimentellen Grenzen um mehrere Größenordnungen, werden diese Umwandlungen zu den empfindlichsten Tests für geladene Leptonflavour-/Gesamtleptonenzahlverletzung. Die Untersuchung derartiger neuer Möglichkeiten ist deshalb essentiell für die Entschlüsselung neuartiger Physik jenseits des Standardmodells. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zur Verbesserung der Testbarkeit von Modellen Neuer Physik in Bezug auf zwei verschiedene Aspekte zu leisten, wobei der Fokus auf Neutrinomodellen mit zusätzlicher Leptonflavour- und/oder Gesamtleptonenzahlverletzung liegt. Um ihr Potential zur Untersuchung viel versprechender Modelle Neuer Physik voll auszuschöpfen, erfordern sowohl die die Leptonflavourzahl verletzende $\mu^-$-- $e^-$ Umwandlung als auch die die Leptonflavour- und Gesamtleptonenzahl verletzende $\mu^-$-- $e^+$ Umwandlung solide theoretische Vorhersagen. Da die theoretischen Verfahren zur Beschreibung beider Arten der Umwandlung gebundener Myonen derzeit unvollständig sind, arbeiten wir daran, diese Lücken zu schließen. Zu diesem Zweck präsentieren wir unsere detaillierten und umfassenden Berechnungen mit dem Ziel, beide Prozesse für Teilchenphysiker zugänglich zu machen. Darüber hinaus vergleichen wir die Vorhersagen einer Auswahl an Modellen Neuer Physik mit aktuellen experimentellen Daten sowie mit zukünftig erwarteten Genauigkeiten. Wir zeigen zudem, wie Experimente bei niedrigen Energien, die indirekt nach neuer Physik anhand von Prozessen mit geladener Leptonflavour- und Gesamtleptonenzahlverletzung suchen, und solche bei hohen Energien, die direkt nach neuen Teilchen suchen, komplementäre Bedingungen liefern können. Folglich untermauern unsere Ergebnisse die Notwendigkeit der Suche nach niederenergetischer Leptonflavour- und Gesamtleptonenzahlverletzung im Zusammenhang mit der Erforschung der Physik jenseits des Standardmodells. Des Weiteren muss bei der Herleitung der Modellvorhersagen beachtet werden, dass viele Modelle Neuer Physik bei hohen Energieskalen definiert sind, wohingegen experimentelle Oszillationsdaten bei niedrigen Energien gemessen werden. Da sich die Parameter einer Theorie mit der betrachteten Energieskala verändern, müssen Renormierungsgruppeneffekte berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang präsentieren wir die erste umfassende Renormierungsgruppenanalyse des Littlest-Seesaw-Modells. Unsere Analyse zeigt, dass es entscheidend ist, die Auswirkungen sich verändernder Parameter einzubeziehen, wenn Modelle Neuer Physik und Oszillationsdaten einander gegenübergestellt werden.
Particle Physics, Beyond the Standard Model Physics, Neutrino Physics
Geib, Tanja
2018
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Geib, Tanja (2018): Flavoured neutrino mass models: a taste of leptons at low and high energies. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

The only direct experimental evidence for physics beyond the Standard Model are the oscillations of neutrino species. Explaining this surprising discovery has led to a variety of potential New Physics models. Since neutrino oscillations demonstrate that lepton flavour is not conserved in Nature, New Physics models tend to introduce additional lepton flavour and sometimes even lepton number violating physics. The validity of any New Physics setting is assessed based on the consistency of its predictions with experimental data. In the near future, lepton flavour and/or number violating conversions of bound muons are expected to undergo the most dramatic experimental advances. By improving currents limits by several orders of magnitude, these reactions will become the most sensitive probe for charged lepton flavour/number violation. Therefore, exploring new opportunities such as these is essential to unravel novel physics beyond the Standard Model. The goal of this thesis is to contribute to improving the testability of New Physics models with respect to two different aspects, focusing on neutrino models with additional lepton flavour and/or lepton number violation. First, both the lepton flavour violating $\mu^-$-- $e^-$ conversion and the lepton flavour and lepton number violating $\mu^-$-- $e^+$ conversion require solid theoretical predictions to fully exploit their potential for investigating promising New Physics models. Since both types of bound muon conversions currently lack certain elements in their theoretical treatment, we work towards closing these gaps. To that end, we present our detailed and comprehensive computations which aim at making both processes accessible to the particle physics community. Furthermore, we compare predictions from a selection of New Physics models to current experimental data and future expected sensitivities. We also show how experiments at low energies, indirectly looking for New Physics via charged lepton flavour and lepton number violating processes, and experiments at high energies, directly looking for new particles, can provide complementary constraints. Thus, our results considerably strengthen the case for low-energy lepton flavour and lepton number violation searches being vital contributions to the search for physics beyond the Standard Model. Second, when deriving model predictions, one must take into account that many New Physics models are defined at high energy scales, whereas experimental oscillation data are measured at low energies. Since the parameters of a theory change with the energy scale under consideration, it is crucial to incorporate renormalisation group effects. In this context, we present the first comprehensive renormalisation group analysis of the Littlest Seesaw model. Our analysis demonstrates that the inclusion of running effects is crucial when confronting New Physics models with oscillation data.

Abstract

Der einzige direkte experimentelle Beweis für Physik jenseits des Standardmodells sind die Oszillationen der Neutrinoarten. Die Suche nach einer Erklärung für diese überraschende Entdeckung hat zu einer Vielzahl möglicher Modelle für Neue Physik geführt. Da Neutrinooszillationen gezeigt haben, dass die Leptonflavourzahl in der Natur nicht erhalten ist, tendieren Modelle Neuer Physik dazu eine darüber hinaus gehende Verletzung der Leptonflavourzahl und mitunter sogar der Gesamtleptonenzahl einzuführen. Die Gültigkeit dieser Konfigurationen Neuer Physik wird anhand der Vereinbarkeit ihrer Vorhersagen mit den experimentellen Daten bewertet. In naher Zukunft wird erwartet, dass die Umwandlungen gebundener Myonen, welche die Leptonflavour- und/oder Gesamtleptonenzahl verletzen, die deutlichsten experimentellen Fortschritte erfahren werden. Durch die Verbesserung der aktuellen experimentellen Grenzen um mehrere Größenordnungen, werden diese Umwandlungen zu den empfindlichsten Tests für geladene Leptonflavour-/Gesamtleptonenzahlverletzung. Die Untersuchung derartiger neuer Möglichkeiten ist deshalb essentiell für die Entschlüsselung neuartiger Physik jenseits des Standardmodells. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zur Verbesserung der Testbarkeit von Modellen Neuer Physik in Bezug auf zwei verschiedene Aspekte zu leisten, wobei der Fokus auf Neutrinomodellen mit zusätzlicher Leptonflavour- und/oder Gesamtleptonenzahlverletzung liegt. Um ihr Potential zur Untersuchung viel versprechender Modelle Neuer Physik voll auszuschöpfen, erfordern sowohl die die Leptonflavourzahl verletzende $\mu^-$-- $e^-$ Umwandlung als auch die die Leptonflavour- und Gesamtleptonenzahl verletzende $\mu^-$-- $e^+$ Umwandlung solide theoretische Vorhersagen. Da die theoretischen Verfahren zur Beschreibung beider Arten der Umwandlung gebundener Myonen derzeit unvollständig sind, arbeiten wir daran, diese Lücken zu schließen. Zu diesem Zweck präsentieren wir unsere detaillierten und umfassenden Berechnungen mit dem Ziel, beide Prozesse für Teilchenphysiker zugänglich zu machen. Darüber hinaus vergleichen wir die Vorhersagen einer Auswahl an Modellen Neuer Physik mit aktuellen experimentellen Daten sowie mit zukünftig erwarteten Genauigkeiten. Wir zeigen zudem, wie Experimente bei niedrigen Energien, die indirekt nach neuer Physik anhand von Prozessen mit geladener Leptonflavour- und Gesamtleptonenzahlverletzung suchen, und solche bei hohen Energien, die direkt nach neuen Teilchen suchen, komplementäre Bedingungen liefern können. Folglich untermauern unsere Ergebnisse die Notwendigkeit der Suche nach niederenergetischer Leptonflavour- und Gesamtleptonenzahlverletzung im Zusammenhang mit der Erforschung der Physik jenseits des Standardmodells. Des Weiteren muss bei der Herleitung der Modellvorhersagen beachtet werden, dass viele Modelle Neuer Physik bei hohen Energieskalen definiert sind, wohingegen experimentelle Oszillationsdaten bei niedrigen Energien gemessen werden. Da sich die Parameter einer Theorie mit der betrachteten Energieskala verändern, müssen Renormierungsgruppeneffekte berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang präsentieren wir die erste umfassende Renormierungsgruppenanalyse des Littlest-Seesaw-Modells. Unsere Analyse zeigt, dass es entscheidend ist, die Auswirkungen sich verändernder Parameter einzubeziehen, wenn Modelle Neuer Physik und Oszillationsdaten einander gegenübergestellt werden.