Experimentelle und theoretische Untersuchungen der Myon-nach-Elektron Konversion mit dem COMET Experiment am J-PARC

• Antragsteller: Professor Dr. Dominik Stöckinger; Professor Dr. Kai Zuber
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397660091

Die Erforschung von Elementarteilchen und fundamentaler Wechselwirkungen hat die überragende Rolle von Symmetrien und erhaltenen Ladungen bewiesen. Beispielsweise ist die elektrische Ladung exakt erhalten aufgrund der Eichinvarianz der QED. Leptonzahl ist eine weitere Ladung, deren Erhaltung aber nicht durch fundamentale Symmetrien oder Theorien gestützt ist. Es gibt drei Sorten (Flavours) von geladenen Leptonen (Elektron, Myon, Tau), und bisher wurde keine Verletzung der sogenannten Lepton-Flavour-Zahl beobachtet. Gleichzeitig aber wurde eine Verletzung von Quark-Flavour und Oszillationen von Neutrino-Flavour beobachtet. Daher ist es eine wesentliche Fragestellung, die mögliche Verletzung der geladenen Lepton-Flavour-Zahl zu untersuchen. Typische Modelle jenseits des Standardmodells, etwa Supersymmetrie oder Leptoquarks, sagen tatsächlich eine solche Lepton-Flavour-Verletzung voraus. Das COMET Experiment am J-PARC ist ein neues Experiment, um Lepton-Flavour-Verletzung zu studieren. Es studiert die Myon-nach-Elektron-Konversion am Kern. Eine dramatische Verbesserung der Sensitivität um 4 Größenordnungen wird erwartet; kein anderes Experiment verspricht derzeit eine solche Verbesserung in der Sensitivität auf neue Phänomene. Beide Antragsteller sind Kollaborationsmitglieder bei COMET, und COMET wird während der Antragslaufzeit mit der Datennahme beginnen, wodurch dieser Antrag zeitlich besonders aktuell ist. Aus dem gleichen Grund werden beide Antragsteller während der Antragslaufzeit auch Schichten am COMET Experiment durchführen. In diesem Antrag werden ausgefeilte Untersuchungen verschiedener, vielversprechender supersymmetrischer und nicht-supersymmetrischer Modelle in Bezug auf Lepton-Flavour-Verletzung durchgeführt. Die phänomenologischen Studien werden begleitet von quantenfeldtheoretischen Untersuchungen zu nötigen effektiven Feldtheorien und der Konstruktion allgemeiner Computerprogramme. Eine große experimentelle Verantwortung der TU Dresden COMET-Kollaborateure ist die Messung des Myon-Einfangs am Atomkern bei COMET. Die Strategie zur Bestimmung des Myon-Einfangs basiert auf der Messung myonischer X-ray Linien. Dazu wird ein Germanium-Detektor verwendet, dessen Commissioning von der TU Dresden Gruppe vorangetrieben und dann vor Ort durchgeführt werden wird. Weiterhin wird das Myon-Target in Dresden entwickelt und dann am JPARC installiert. Die Arbeit der TU Dresden im Rahmen dieses Antrags wird signifikant zum Erfolg des COMET Phase-I Experiments beitragen. Diese Zusammenarbeit wurde vorbereitet im Rahmen der DFG-geförderten "strategischen Partnerschaft" zwischen Osaka (die leitende Universität des COMET Experiments) und Dresden innerhalb des Exzellenzkonzepts der TU Dresden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen