Niederenergetische Präzisionsteste des Standardmodells mit Atomen, Hadronen und Neutrinos

• Antragsteller: Dr. Mikhail Gorshteyn
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315087841

Das Standardmodell der Elementarteilchen und fundamentalen Wechselwirkungen (SM) ist im Beschreiben und Vorhersagen verschiedener Phänomene in Atom-, Kern- und Teilchenphysik extrem erfolgreich. Es bestehen jedoch zahlreiche Hinweise, dass Physik jenseits des Standardmodells (BSM) existieren soll. Eine der wichtigsten Richtungen, in den die Suche nach BSM geführt wird, sind die niederenergetischen Präzisionsteste. In dieser Physikbranche werden Präzisionsmessungen der SM Parameter mittels Atom-, Kern-, Hadron- und Neutrinoexperimente durchgeführt, um BSM Beiträge zu beobachten oder einzuschränken. Die Präzision moderner niederenergetischer Experimenten ermöglicht es, BSM Effekte zu testen, die durch Beiträge hypothetischer neuer Teilchen im Masseninterval von etwa 1-10 TeV entstehen. In diesem Antrag handelt es sich insbesondere um die Extraktion des Weinbergswinkels aus paritätsverletzender Elektronenstreuung (PVES) in Rahmen der Q-Weak und MESA/P2 Experimente, Lamb-Verschiebungsmessungen in leichten muonischen Atomen, Beta-Zerfall ultrakalter Neutronen und Kerne, Neutrinoexperimente und direkten Nachweis der Dunklen Materie (DM). Die gemeinsame Stelle dieser, sonst sehr verschiedenen, Experimente ist die Notwendigkeit der zuverlässigen Rechnungen der elektroschwachen Strahlungskorrekturen. Von besonderer Interesse sind die so-genannten Boxdiagramme, die Kenntnisse der inklusiven Hadron- und Kernzuständen benötigen. Bei niedrigen Energien ist die Quantenchromodynamik (QCD) nichtperturbativ, damit können solche Beiträge momentan nicht aus der QCD Lagrangefunktion direkt ausgerechnet werden. In diesem Antrag schlage ich die Anwendung der Dispersionsrelationen, der auf Lorentz- und Eichinvarianz, Unitarität und Analytizität besierten Methode, zu den Rechnungen der Boxdiagramme auf dem Präzisionsniveau der relevanten Experimenten. In meinen früheren Arbeiten habe ich diese Methode in der Comptonstreuung, sowie in Boxdiagrammrechnungen in Elektronenstreuung im Vorwärtsregime erfolgreich angewandt. In diesem Projekt schlage ich eine Verallgemeinerung für den Fall der doppeltvirtuellen Comptonstreuung zwecks Rechnungen der Polarisierbarkeitskorrektur zur Lamb-Verschiebung in leichten muonischen Atomen und zum direkten Nachweis des DMs durch DM Polarisierbarkeiten, sowie für den Fall der Interferenz gamma-Z für PVES und gamma-W für Prozesse mit Neutrinos, vor. Eine Dispersionsrechnung in der Kinematik der relevanten Experimente benötigt u.a. Kenntnisse der Reaktionen gamma(Z,W)+N -> pi+N. Ein Anteil des Projektes ist der Ergänzung der Partialwellenanalyse der schwachen Pionproduktion für den Fall des axialen Stromes gewidmet. Das Projekt hat ein großes Potential, die Suche nach BSM mittels hadronischer Präzisionsmessungen in Mainz mit Atom- und Neutrinoexperimenten, Beta-Zerfall, direktem Nachweis der DM und Physik der Neutronensternen und Supernovae zu verknüpfen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen