Suche nach unbekannten Phänomenen in seltenen Zerfällen von Charm-Hadronen

• Antragsteller: Dr. Dominik Mitzel
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464412659

Seit über 50 Jahren beschreibt das Standardmodell der Teilchenphysik erfolgreich die elementaren Teilchen und ihre Wechselwirkungen. Trotz fundamentaler Fragen, die nicht im Rahmen des Standardmodells erklärt werden können, gibt es keine signifikante Messung, die nicht mit seinen Vorhersagen verträglich ist. Berühmte Limitierungen sind das Fehlen eines geeigneten dunkle Materie Kandidaten oder die Erklärung des beobachteten Materieüberschusses im Universum.Die Teilchenphysik versucht daher, Hinweise auf unbekannte Phänomene zu finden, auch “neue Physik” genannt, die das Standardmodell erweitern.Seltene Zerfälle von instabilen Hadronen schwerer Quarks sind besonders auf Beiträge unbekannter Teilchen sensitiv. Das LHCb Experiment am LHC (CERN) ist auf Präzisionsmessungen von Beauty und Charm-Hadronen spezialisiert und hat den weltweit größten Datensatz an Zerfällen dieser Hadronen aufgezeichnet. Schwere neue Teilchen können über Quantenkorrekturen die Zerfallsraten seltener Zerfälle verändern, die Winkelverteilung der Zerfallsprodukte modifizieren und Effekte induzieren, welche zu einen unterschiedlichen Verhalten von Teilchen und Antiteilchen führen. Die Massenskala neuer Teilchen ist hierbei nicht durch die Kollisionsenergie des LHC limitiert.Seltene Zerfälle von Hadronen, die beauty oder strange Quarks enthalten, sind seit langem Gegenstand der Forschung, wogegen seltene Zerfälle von Charm-Hadronen weitgehend unerforscht sind. Das liegt zum einen an einer besonders starken Unterdrückung, und zum anderen an Herausforderungen in der theoretischen Beschreibung der Zerfälle, die oft zu Unsicherheiten in den Standardmodellvorhersagen führen. Neuste Erkenntnisse theoretischer Physiker weisen darauf hin, dass das Charm-System besondere Symmetrien aufweist, aufgrund derer eine Reihe von Observablen als eindeutige Null-Tests des Standard Modells mit vernachlässigbaren Unsicherheiten in den Theorievorhersagen definiert werden können. Gleichzeitig wird eine präzise experimentelle Untersuchung seltener Charm-Zerfällen bei LHCb zum ersten mal überhaupt möglich. Dies öffnet die Tür zu einem vielversprechenden und weitgehend unerforschten Feld.In diesem Projekt werden Null-Tests im Rahmen von Winkelanalysen, Messungen von Teilchen-Antiteilchen Asymmetrien und durch Vergleiche der Eigenschaften seltener Zerfälle mit Leptonen verschiedener Generationen durchgeführt. Die Messungen haben das Potential, neue Physik zu entdecken oder den Parameterraum vielversprechender Theorien und neuer Teilchen, wie z.B. Leptoquarks und Z’ Bosonen, signifikant einzuschränken. Zerfälle von Charm-Hadronen bieten die einzigartige Möglichkeit, unbekannte Phänomene zu finden, die komplementär zu den Messungen im B- und Kaon-System sind und werden eine Schlüsselrolle in zukünftigen Suchen einnehmen. Im Rahmen des Projekts werden innovative Konzepte zur Echtzeit-Analyse der LHCb Daten und Machine Learning Algorithmen entwickelt, die für den Erfolg des Projektes essentiell sind.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Marianna Fontana; Dr. Alex Pearce; Dr. Sascha Stahl