Leptogenese in der Nichtgleichgewichtsquantenfeldtheorie

• Antragsteller: Professor Dr. Björn Garbrecht
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 203737337

Das am Large Hadron Collider (LHC) entdeckte Higgsboson entspricht dem lange gesuchten komplettierenden Schlußstein des Standardmodells (SM) der Teilchenphysik. In den kommenden Jahren wird am LHC nach Phänomenen jenseits des SMs (BSM) gesucht. Da ds SM keine Erklärung für dunkle Materie oder die Materie-Antimaterie Baryonenasymmetrie des Universums (BAU) liefert, geben diese kosmologischen Beobachtungen bereits jetzt indirekte Hinweise auf Erweiterungen des SM durch neue Teilchen und Wechselwirkungen. Der unbekannte Mechanismus der dynamischen Erzeugung der BAU wird Baryogenese genannt, und die Variante, bei welcher die Asymmetrie aus dem Zerfall von BSM rechtshändigen Neutrinos (RHNs) resultiert, Leptogenese. Deren theoretische Beschreibung ist von konzeptionellem Interesse, da die Verbindung von Eigenschaften der Quantenfeldtheorie (QFT) wie Verletzung der Ladungsparität (CP) und thermodynamische Aspekte, wie Abweichungen vom Gleichgewicht, vorausgesetzt wird. In letzter Zeit gab es neue Aktivitäten zu den Grundlagen der Leptogenese den verwendeten Methoden, wozu die Arbeiten am vorliegenden Projekt führende Beiträge sind. Während der ersten Förderperiode haben wir kinetische Gleichungen für das Ausfrieren der Leptonenasymmetrie ausgehend von den Grundlagen der QFT hergeleitet. Diese haben wir auf Leptogenese in verschiedenen parametrischen Regimen angewendet.Für die Fortsetzung des Projekts schlagen wir vor, die rechnerischen Methoden weiter zu vervollständigen und aus diesen phänomenologische Konsequenzen abzuleiten. Die konkreten Aufgaben, welche wir uns vornehmen, sind folgende:-Wir berechnen Raten für CP-verletzende Zerfälle von RHNs im sogenannten Weak-Washout Regime und benutzen diese für eine phänomenologische Studie der Leptogenese durch RHNs mit Massen von der Ordnung eines GeV. Wir haben gezeigt, daß solche RHNs nicht massenentartet sein müssen, um die BAU zu erklären. Eine genaue und umfassende Untersuchung soll die Frage beantworten, ob diese Variante der Leptogenese an Experimenten wie z.B. LHCb überprüft werden kann.-Der Fall der unvollständigen Flavourdekohärenz soll untersucht werden. Für diesen zeigen unsere vorläufigen Ergebnisse, daß die Asymmetrie im Vergleich zu den Fällen ohne Dekohärenz oder mit voller Dekohärenz verstärkt wird.-Wir werden die Vorhersagen für Szenarien, welche auf der Mischung von Higgs- und von Leptonendubletts des SM fußen, verbessern. Daneben werden Varianten untersucht, für welche die notwendige CP-Verletzung in Verbindung zu elektrischen Dipolmomenten von Elektronen, Nukleonen oder Atomen gebracht werden kann.-Wir planen die Entwicklung einer Software zur Berechnung von Transportkoeffizienten von Relevanz fürs frühe Universum, insbesondere für elektroschwache Baryogenese und Leptogenese.-Wir werden die Resultate aus dem kommenden Lauf des LHC genau verfolgen und deren Konsequenzen für Leptogenesemodelle mit nichtminimalem Higgssektor untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen