Präzisionsanalyse einer vierten Fermion-Generation mit CKMfitter

• Applicants: Professor Dr. Heiko Lacker; Professor Dr. Alexander Lenz; Professor Dr. Ulrich Nierste
• Subject Area: Nuclear and Elementary Particle Physics, Quantum Mechanics, Relativity, Fields
• Term: from 2010 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 182252543

• Final Report Year: 2014

Final Report Abstract

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik wurde in den letzten Jahrzehnten in mannigfaltigen Laborexperimenten erfolgreich getestet. Andererseits kann das Standardmodell die Existenz dunkler Materie oder das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie im Universum nicht erklären. Ein großes Rätsel des Standardmodells ist die Existenz von verschiedenen Familien von Leptonen und Quarks und warum es gerade drei Familien geben sollte. Die einfachste Erweiterung des Standardmodells ist das Hinzufügen einer 4. Generation von Leptonen und Quarks, die teilweise die oben aufgeworfenen Probleme lösen könnten. Ziel des Projekts war es, eine kombinierte quantitative Analyse mit Hilfe des CKMfitter­Softwarepakets durchzuführen, die es erlaubt, belastbare statistische Aussagen zur Existenz einer 4. Generation von Quarks und Leptonen zu treffen und den mit der Theorie verknüpften Parameterraum einzuschränken. Aussagen über die Nichtexistenz einer 4. Generation von Quarks und Leptonen in der Vergangenheit beruhten auf vereinfachten Annahmen, die nicht gerechtfertigt sind und im Projekt fallen gelassen wurden. Es zeigte sich, dass allein aufgrund von Messungen von Präzisionsobservablen die Existenz einer 4. Generation nicht ausgeschlossen werden kann. Andererseits konnten verschiedene Abweichungen von Standardmodellvorhersagen für Observablen im Quarksektor auch nicht wirklich befriedigend durch die mögliche Existenz einer 4. Generation erklärt werden. Das Hauptresultat des Projektes ist: Die Daten der Higgsentdeckung am LHC sind in guter Übereinstimmung mit der Standardmodellvorhersage, aber kaum kompatibel mit der Existenz einer 4. Generation. Eine offene Frage ist, ob es weitere Fermionen geben kann, wenn ihre links­ und rechtshändigen Komponenten in den selben Darstellungen der Eichgruppe liegen. Solche “vektorartigen” Fermionen werden in der Gruppe meines Projektpartners (U. Nierste) studiert. Genauso können weitere Fermionen nicht ohne weiteres ausgeschlossen werden, solle es einen erweiterten Higgs­Sektor geben.

Publications

• “Simultaneous Extraction of the Fermi constant and PMNS matrix elements in the presence of a fourth generation”, JHEP 1007 (2010) 006
  H. Lacker and A. Menzel
  
• “Impact of a Higgs boson at a mass of 126 GeV on the standard model with three and four fermion generations”, Phys. Rev. Letters 109, 241802 (2012)
  O. Eberhardt, G. Herbert, H. Lacker, A. Lenz, A. Menzel, U. Nierste and M. Wiebusch
  
• “Joint analysis of Higgs decays and electroweak precision observables in the Standard Model with a sequential fourth generation”, Phys. Rev. D 86 (2012) 013011
  O. Eberhardt, G. Herbert, H. Lacker, A. Lenz, A. Menzel, U. Nierste and M. Wiebusch
  
• “Model­independent extraction of |Vtq| matrix elements from top­quark measurements at hadron colliders”, Eur. Phys. J. C72 (2012) 1644
  H. Lacker, A. Menzel, F. Spettel, D. Hirschbühl, J. Lück, F. Maltoni, W. Wagner, M. Zaro
  
• “Status of the fourth generation before ICHEP2012: Higgs data and electroweak observables”, Phys. Rev. D86 (2012) 074014
  O. Eberhardt, A. Lenz, A. Menzel, U. Nierste, and M. Wiebusch