Alumni-Preis 2020

Betreuer: Prof.Dr. Stefan Dittmaier

Kurzzusammenfassung der Arbeit (deutsch):

Die moderne Teilchenphysik untersucht die fundamentalen Wechselwirkungen zwi- schen den fundamentalen Bausteinen der Materie. Die allgemein anerkannte Theorie, welche diese elementaren Teilchen und die zwischen ihnen wirkenden elektromagneti- schen, Schwachen und Starken Kräfte beschreibt, ist das Standardmodell (SM). Das SM ist eine Eichfeldtheorie, deren Vorhersagen mit erstaunlicher Genauigkeit mit allen ex- perimentellen Messergebnissen von Teilchenbeschleunigern übereinstimmen.

Dennoch gibt es einige grundlegende Beobachtungen, die nicht durch die Vorhersagen des SM erklärt werden können. So beschreibt das SM beispielsweise nicht die Gravitati- onswechselwirkung. Auch die Existenz von Dunkler Materie oder Dunkler Energie kann durch das SM nicht erklärt werden. Diese Phänomene zeigen deutlich, dass das SM in seiner jetzigen Form trotz seiner mit experimentellen Ergebnissen extrem gut überein- stimmenden Vorhersagen nicht die gesuchte allumfassende Theorie sein kann.

Die prominentesten Experimente zur Vermessung der elementaren Bausteine der Materie und der Struktur der fundamentalen Wechselwirkungen werden aktuell am Large Hadron Collider (LHC) am CERN durchgeführt. Am LHC werden Kollisionen von Protonen mit relativistischen Geschwindigkeiten vermessen. Auf der Suche nach einem allumfassenden Modell erhofft man sich von diesen hochpräzisen Messungen eine direkte Detektion mög- licher bislang unbekannter elementarer Teilchen oder das Aufzeigen von Abweichungen der theoretischen Vorhersagen des SM von den Messergebnissen, um Hinweise auf mög- liche vielversprechende Modifikationen des SM zu erhalten.

In der vorgestellten Arbeit wurde eine minimale Erweiterung des SM, die „Gauged Sin- glet Extension of the Standard Model“ (GSESM), betrachtet. Die GSESM führt durch eine Erweiterung der Struktur des skalaren Sektors des SM, welche eine Erweiterung des elementaren Teilchenspektrums mit sich bringt, und einer Erweiterung im Bereich der fundamentalen Wechselwirkungen zwei generische Portale zu einem möglichen „dunklen Sektor“ ein, ohne dessen explizites Teilchenspektrum genauer zu spezifizieren. Das Ein- führen eines solchen dunklen Sektors könnte beispielsweise eine mögliche Erklärung für den Ursprung der Dunklen Materie bieten.

Neben der Herleitung der grundlegenden theoretischen Strukturen des GSESM wurde in dieser Arbeit auch die Renormierung des Modells ausgearbeitet. Diese wird benötigt, um den definierenden Parametern der Theorie ihre physikalische Bedeutung zu geben und die in den Rechnungen zur Herleitung von Präzessionsvorhersagen auftretenden Di- vergenzen zu absorbieren. Hiermit konnten Vorhersagen zu Hochpräzessionsobservablen im Rahmen des GSESM berechnet werden. Weiter konnten durch einen Vergleich dieser Vorhersagen mit Messungen erste Einschränkungen für den erlaubten Wertebereich der im GSESM neu eingeführten freien Parameter gefunden werden.