How gravity shapes the low-energy frontier of particle physics

Funcke, Lena (2018): How gravity shapes the low-energy frontier of particle physics: neutrino masses and the domestic axion. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

The Standard Model of particle physics and its implications for cosmology leave several fundamental questions unanswered, including the absence of CP violation in strong interactions and the origins of neutrino masses, dark matter, and dark energy. The most popular directions of model building beyond the Standard Model usually focus on new physics at short distances corresponding to high-energy scales. As an alternative direction, we present a novel class of low-energy solutions to the neutrino mass and strong CP problems at a new infrared gravitational scale, which is numerically coincident with the scale of dark energy. We demonstrate how a neutrino condensate, small neutrino masses, and an axion can emerge from a topological formulation of the chiral gravitational anomaly. First, we recapitulate how a gravitational θ-term leads to the emergence of a new bound neutrino state ην analogous to the η’ meson of QCD. On this basis, we show that a low-energy neutrino vacuum condensate forms and generates small neutrino masses. In the context of a follow-up model in which also the up-quark mass is generated by the neutrino condensate, we identify an axion that is composed entirely out of Standard Model fermion species: the η’ meson plus a minuscule admixture of the neutrino-composite ην boson. This new low-energy class of models has several unusual consequences for cosmology, astrophysics, gravity, and particle phenomenology. For example, we show that the cosmological neutrino mass bound vanishes due to a late cosmic phase transition in the neutrino sector. Moreover, we investigate the impact of the predicted topological defects and enhanced relic neutrino self-interactions on the dark matter and dark radiation content of the late Universe. On the astrophysics side, the key model prediction is the enhancement of neutrino decays observable in extraterrestrial neutrino fluxes. Concerning gravitational measurements, our models imply different polarization intensities of gravitational waves and a new attractive short-distance force among nucleons with a strength comparable to gravity. With regard to particle phenomenology, we explain potential signatures of flavor-violating processes, shining-light-through-walls signals, and possible sterile neutrinos in short-baseline experiments. We comment on how these model predictions can be tested with current and future experiments, in particular Euclid, IceCube, KATRIN, and PTOLEMY.

Abstract

Das Standardmodell der Teilchenphysik und seine kosmologischen Implikationen lassen einige fundamentale Fragen unbeantwortet, insbesondere die Abwesenheit von CP-Verletzung in der starken Wechselwirkung sowie die Ursprünge von Neutrinomassen, Dunkler Materie und Dunkler Energie. Innerhalb der Modellentwicklung jenseits des Standardmodells konzentrieren sich die populärsten Forschungsrichtungen üblicherweise auf neue Strukturen bei hohen Energien bzw. kleinen Abständen. Als eine alternative Richtung präsentieren wir in dieser Dissertation eine neue Klasse von niederenergetischen Lösungen der Neutrinomassen- und starken CP-Probleme. Diese Klasse manifestiert sich auf einer neuen infraroten Gravitationsskala, welche numerisch übereinstimmt mit der Skala der Dunklen Energie. Wir zeigen, wie sich ein Neutrinokondensat, kleine Neutrinomassen und ein Axion aus einer topologischen Formulierung der chiralen Gravitationsanomalie ergeben können. Zuerst rekapitulieren wir, wie ein gravitativer θ-Term zur Entstehung eines neuen gebundenen Neutrinozustands ην führt, analog zum η‘-Meson in der QCD. Auf dieser Basis leiten wir her, dass sich ein niederenergetisches Neutrino-Vakuumskondensat bildet, welches kleine Neutrinomassen generiert. Im Rahmen eines darauf aufbauenden Modells, in welchem auch die Masse des Up-Quarks durch das Neutrinokondensat erzeugt wird, identifizieren wir ein Axion, welches ausschließlich aus Fermionen des Standardmodells besteht: dem η‘-Meson plus einer winzigen Beimischung des ην-Bosons bestehend aus Neutrinos. Diese neue niederenergetische Modellklasse hat einige außergewöhnliche Konsequenzen für Kosmologie, Astrophysik, Gravitation, und Teilchenphänomenologie. Zum Beispiel zeigen wir, dass aufgrund eines späten kosmischen Phasenübergangs im Neutrinosektor die kosmologischen Grenzen für die Neutrinomassen verschwinden. Darüber hinaus untersuchen wir die Auswirkungen der vorhergesagten topologischen Defekte und der verstärkten kosmischen Neutrino-Selbstwechselwirkungen auf Dunkle Materie und Dunkle Strahlung im späten Universum. Im astrophysikalischen Bereich ist die wichtigste Modellvorhersage die Verstärkung von Neutrinozerfällen, welche in extraterrestrischen Neutrinoflüssen beobachtbar sind. In Bezug auf Gravitationsmessungen implizieren unsere Modelle verschiedene Polarisationsintensitäten von Gravitationswellen sowie eine neue kurzreichweitige Kraft zwischen Nukleonen, konkurrierend mit der Gravitationskraft. Im Hinblick auf Teilchenphänomenlogie erläutern wir mögliche Signaturen von flavor-verletzenden Prozessen, Licht-durch-die-Wand-Signalen, und etwaigen sterilen Neutrinos in Short-Baseline-Experimenten. Wir kommentieren, wie diese Modellvorhersagen mit laufenden und zukünftigen Experimenten getestet werden können, insbesondere mit Euclid, IceCube, KATRIN und PTOLEMY.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 9. Juli 2018
• 1. Bericht­erstatter:in: Dvali, Georgi