Eine Brücke zwischen Teilchenphysik und Kosmologie: das Higgs Boson als Fenster zum dunklen Universum

• Antragsteller: Dr. Spyridon Argyropoulos
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 433129798

Die Entdeckung des Higgs-Bosons stellte einen Wendepunkt in der Geschichte der Physik dar. Seine Entdeckung markierte nicht nur die Vervollständigung des Standardmodells der Teilchenphysik, sondern hat ein neues Fenster zu den wichtigsten ungelösten Problemen der Teilchenphysik und Kosmologie aufgestoßen: Woraus besteht die unsichtbare Materie in den beobachtbaren Galaxien? Warum beschleunigt die Expansion des Universums? Warum verschwand die Antimaterie aus dem Universum? Die Antworten auf diese Fragen, die als Dunkle Materie, Dunkle Energie und Baryogenese bekannt sind, hängen in vielen diese erklärenden Modellen eng mit den Eigenschaften des Higgs-Bosons zusammen.Die Produktion eines Higgs-Bosons in Assoziation mit einem Z-Boson (Vermittler der schwachen Wechselwirkung) wurde erst vor kurzem beobachtet und stellt eine einzigartige Möglichkeit dar, die noch unerforschte Physik jenseits des Standardmodells zu untersuchen. Beim Zerfall des Z-Bosons in Neutrinos werden diese als fehlende Energie im Detektor registriert, was der Signatur von den schwach wechselwirkenden Teilchen der Dunklen Materie und Dunklen Energie ähnelt. Die Erzeugung von Teilchen der Dunklen Materie oder der Dunklen Energie erfolgt in vielen Modellen bevorzugt oder sogar ausschließlich über Kopplung ans Higgs-Boson. Daher ist die Erforschung der Produktion eines Higgs-Bosons in Verbindung mit fehlender Energie wichtig, um das Dunkle Universum zu verstehen.Dieser Antrag beschreibt ein umfassendes Programm für die Suche nach elektroschwacher Baryogenese, Dunkler Materie und erstmalig Dunkler Energie in der assoziierten Produktion mit einem Higgs-Boson im ATLAS-Experiment am Large Hadron Collider am CERN. Es besteht aus zwei Teilen: Aus direkten Suchen nach neuer Physik, welche den Parameterraum der entsprechenden Modelle am stärksten eingrenzen können und aus indirekten Suchen, welche durch differentielle Messungen der Higgs-Bosons-Produktion in Verbindung mit einem Z-Boson von spezifischen Modellen unabhängige Interpretationen ermöglichen. Dieser Antrag füllt eine Lücke in der Untersuchung dieser Signatur aus und wird die Ergebnisse vom LHC mit anderen Experimenten in Zusammenarbeit mit Theoretikern kombinieren. Dies wird es ermöglichen, festzustellen welche Modelle mit den experimentellen Befunden übereinstimmen und wird uns dabei helfen, die Strategie für die Suche nach neuer Physik in der Hoch-Luminositäts-Phase des LHC zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen