From the infrared to the ultraviolet and back again

Ettengruber, Manuel (2024): From the infrared to the ultraviolet and back again. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

In dieser Arbeit wird die Frage diskutiert, wie Theorien, deren Energieskala höher ist als die des Standardmodells der Teilchenphysik, sich in Experimenten zeigen, die auf Energieskalen operieren, die im Vergleich viel niedriger sind als die der elektroschwachen Wechselwirkung. Da der neutrinolose doppelte Betazerfall ein etabliertes Beispiel für solch einen Prozess ist, wird zunächst diskutiert, inwieweit es möglich ist, dass die dazu bereits geplanten Experimente ein Signal detektieren würden, wenn die normale Massenordnung für Neutrinos in der Natur realisiert ist. Die Wahrscheinlichkeit einer Detektion wird in Abhängigkeit von der Masse des leichtesten Neutrinos und der daraus resultierenden Abhängigkeit von kosmologischen Tests der Neutrinomassensumme diskutiert. Der weitere Teil dieser Arbeit befasst sich mit einer Klasse von Theorien, die die Energieskala der Gravitation von der Planckskala auf Terraelektronenvolt absenken, um das Hierarchieproblem zu lösen. Zunächst wird eine allgemeingültige Herangehensweise vorgestellt, wie der Neutrinosektor in solchen Theorien behandelt werden kann. Anschließend wird diese verwendet, um die Phänomenologie solcher Theorien in der Neutrinophysik zu bestimmen. Die Vorhersagen der Dvali-Redi-Theorie mit vielen Kopien des Standardmodells werden im Anschluss zum ersten Mal experimentell überprüft. Dazu wird eine kombinierte Datenanalyse von mehreren Experimenten durchgeführt. Es wurden keine Signale dieser Theorie gefunden, und daraus werden mögliche Werte der relevanten Parameter ausgeschlossen. Ein weiteres Teilchen, das von diesen Theorien potenziell beeinflusst wird, ist das Neutron. Diese Möglichkeit wird im Hinblick auf das Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali-Modell mit großen extra Dimensionen diskutiert, und abhängig vom spezifischen Szenario ist es möglich, den verfügbaren Parameterbereich erheblich einzuschränken oder Vorhersagen für Neutronenoszillationsexperimente zu machen. Ein Resultat ist, dass solche Experimente sensitiv genug sind, um mit anderen experimentellen Möglichkeiten diese Modelle zu überprüfen konkurrenzfähig zu sein. Zum Abschluss werden theoretische Überlegungen angestellt, wie die Existenz vieler dunkler Yang-Mills-Sektoren, wie im Dvali-Redi-Modell, die Physik der hypothetischen Axionen beeinflussen kann. Aus der Anforderung, das starke CP-Problem für jeden zusätzlichen Yang-Mills-Sektor zu lösen, entspringt die Notwendigkeit eines Axions pro Yang-Mills-Sektor. Dies hat zur Folge, dass eine kosmologische Produktion über den Misalignment-Mechanismus die Anzahl von zusätzlichen Axionen von oben beschränkt. Darüber hinaus führt ein mögliches kinetisches Mixen der Axionen zu Abweichungen in der Masse und im Kopplungsverhalten im Vergleich zum Fall mit nur einem Axion.

Abstract

This work discusses how theories with energy scales higher than that of the Standard Model of particle physics manifest in experiments operating at much lower energy scales compared to the electroweak scale. Since neutrinoless double beta decay serves as an established example of such a process, the discussion initially explores the possibility of detecting a signal in experiments already planned if the normal mass hierarchy for neutrinos in nature is realized. The probability of detection is discussed in relation to the mass of the lightest neutrino and its dependence on cosmological tests of the neutrino mass sum. The subsequent part of this work focuses on a class of theories that lower the energy scale of gravity from the Planck scale to the teraelectronvolt scale to solve the hierarchy problem. Initially, a general approach is introduced on how the neutrino sector can be addressed in such theories. This approach is then utilized to determine the phenomenology of such theories in neutrino physics. The predictions of the Dvali-Redi theory with many copies of the Standard Model are experimentally tested for the first time through a combined data analysis of multiple experiments. No signals of this theory were found, leading to the exclusion of possible values for the relevant parameters. Another particle potentially influenced by these theories is the neutron. This possibility is discussed concerning the Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali model, and depending on the specific scenario, it is possible to significantly narrow down the available parameter space or make predictions for neutron oscillation experiments. One result is that such experiments are sensitive enough to be competitive with other experimental approaches to this model. Finally, theoretical considerations are made regarding how the existence of many dark Yang-Mills sectors, as in the Dvali-Redi model, can influence the physics of hypothetical axions. From the requirement to solve the strong CP problem for each additional Yang-Mills sector arises the necessity of one axion per Yang-Mills sector. This implies that cosmological production via the misalignment mechanism limits the number of additional axions from above. Furthermore, possible kinetic mixing of axions leads to deviations in mass and coupling behavior compared to the case with only one axion.

• 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: 21. März 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Dvali, Gia