Neutron oscillations into hidden dimensions & Topological defects of the quark condensate

Wachowitz, Anja (2025): Neutron oscillations into hidden dimensions & Topological defects of the quark condensate. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Diese Arbeit besteht aus zwei Teilen: Der erste Teil untersucht die Oszillationen von Neutronen in verborgene Dimensionen. Da Neutronen und Neutrinos keine erhaltenen Eichladungen tragen, sind sie natürliche Kandidaten um mit verborgenen Sektoren zu interagieren. Insbeson- dere können sie sich mit Bulk-Fermionen mischen, die in großen Extradimensio- nen propagieren. Da Bulk-Felder in großen Extradimensionen einen fein gestuften Kaluza-Klein-Turm besitzen, finden sowohl gebundene als auch freie Neutronen mit unterschiedlichen Energieniveaus jeweils einen nächsten Oszillationspartner im Turm. Möglicherweise beobachtbare Effekte sind das Verschwinden von gebunde- nen Neutronen in Atomkernen sowie ein wiederholendes Resonanzmuster in der Verschwindensamplitude freier Neutronen. Die charakteristische Signatur dieser Resonanzen korrespondieren mit bestimmten Magnetfeldstärken, die mit den Kaluza- Klein-Zuständen korrelieren. Auf diese Weise können Experimente mit freien Neutro- nen den Kaluza-Klein-Turm scannen und einen Parameterbereich der Theorie testen, der durch das Hierarchyproblem motiviert ist. Der zweite Teil befasst sich mit topologischen Defekten des Quark-Kondensats der Quantenchromodynamik. Durch die spontane Brechung der chiralen Symmetrie entstehen 2π-Domänenwände der η′ und π0-Mesonen, deren Rand kosmische Strings sind. Im Falle einer starken Epoche im frühen Universum können diese Defekte der Quantenchromodynamik eine wichtige Rolle für Kosmologie gespielt haben. Wird ein verborgenes Axion in die Theorie eingefügt, so werden die axionischen Strings von Windungen in den Phasen des Quark-Kondensats begleitet. Diese gleichzeiti- gen Windungen können bedeutende astrophysikalische Konsequenzen haben, etwa Veränderungen der Supraleitungs- und Anomalieinfluss-Eigenschaften axionischer Strings.

Abstract

This thesis is split into two parts: The first part explores the oscillations of neutrons into hidden dimensions. Since neutrons and neutrinos carry no conserved gauge charges, they are natural candidates to interact with hidden sectors. In particular, they can mix with bulk fermions propagating in large extra dimensions. Because bulk fields in large extra dimensions have a finely spaced Kaluza-Klein tower, both bound and free neutrons with different energy levels all find a closest oscillation partner in the tower. Potentially observable effects are the disappearance of bound neutrons in nuclei and a repetitive pattern of resonances in the neutron disappearance amplitude in free neutron experiments. The unique signature of resonances in the neutron disappearance amplitude correspond to magnetic field values which are correlated with the Kaluza-Klein states. In this way, free neutron experiments can perform a scanning of the Kaluza-Klein tower and test a parameter space of the theory motivated by the hierarchy problem. The second part investigates topological defects of the quark condensate of Quantum Chromodynamics. The spontaneous breaking of the chiral symmetry gives rise to 2π-domain walls bounded by cosmic strings of the η′ and the π0- mesons. In case of a strong epoch in the early universe, these defects of Quantum Chromodynamics can play an important role in cosmology. When including a hidden axion in the theory, the axionic strings are accompanied by windings in the phases of the quark condensate. This simultaneous winding can have important astrophysical consequences, such as changing the superconductivity and anomaly inflow properties of axionic strings.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Theoretical Particle Physics, Beyond Standard Model Physics, Large Extra Dimensions, Neutron Oscillations, Topological Defects, Quantum Chromodynamics, Axion
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 1. Dezember 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Dvali, Gia