Neutrinos terrestrischer und kosmischer Beschleuniger, und deren Rolle in der Physik jenseits des Standardmodells

• Applicant: Privatdozent Dr. Walter Winter
• Subject Area: Nuclear and Elementary Particle Physics, Quantum Mechanics, Relativity, Fields
• Term: from 2011 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 187910331

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Physik von zukünftigen Neutrino-Oszillationsexperimenten zu studieren, die Theorie der Neutrinomassen zu beschreiben und die Modellierung der Neutrinoflüsse kosmischer Beschleuniger zu verbessern. Wichtige experimentelle Entdeckungen hatten entscheidenden Einfluss fur die Durchführung des theoretischen Vorhabens: der leptonische Mischungswinkel θ13 wurde 2012 bei Reaktor-Neutrinoexperimenten gemessen, das Higgs-Boson wurde 2012 entdeckt und ein diffuser Neutrinofluss aus (wahrscheinlich) extragalaktischen kosmischen Beschleunigern wurde 2013 etabliert. Im Projektverlauf wurden diese Entwicklungen aufgegriffen und mit Hilfe der entwickelten Methodik untersucht. Mit der Entdeckung eines relativ großen Werts von θ13 ist es müglich, leptonische CP-Verletzung an zukünftigen Experimenten zu testen - mit der Motivation, Hinweise auf den Ursprung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie des Universums zu erhalten. In diesem Projekt wurden erstmals zukünftige Long-Baseline-Experimente explizit mit Nah- und Ferndetektoren im Hinblick auf die Präzisionsmessung von δCP simuliert und die Anforderungen an die systematischen Fehler selbstkonsistent über Technologiegrenzen hinweg dargestellt. Des Weiteren wurde aktiv zur Etablierung eines Experiments (PIN-GU) zur Massenhierarchiebestimmung mit atmospharischen Neutrinos, basierend auf der Technologie von IceCube, beigetragen. Die Entdeckung astrophysikalischer Neutrinos wurde im Hinblick auf Spektrum und Flavor-Zusammensetzung interpretiert und der garantierte Beitrag von Wechselwirkungen von kosmischer Strahlung in der Milchstraße wurde neuberechnet. Daraus sollen bei verbesserter Statistik in Zukunft Hinweise auf den Ursprung der kosmischen Neutrinos erhalten werden. Ferner wurden existierende Modelle fur den Neutrinofluss von Gamma-Ray Bursts revidiert, was eine mögliche Erklärung für die bisher fehlenden Neutrinos für diese Objektklasse sein könnte, und der Zusammenhang mit dem Ursprung der höchstenergetischen kosmischen Strahlung analysiert. Die Theorie der Neutrinomassen wurde zum Beispiel durch höherdimensionale Operatoren beschrieben, die systematisch im Hinblick auf die zugrundeliegenden Modelle analysiert wurden. Die entsprechende Technik wurde auch angewendet um alle möglichen exotischen Mechanismen fur neutrinolosen Doppelbetazerfall in niedrigster Ordnung zu finden, um das existierende Wissen um Einschleifen-Neutrinomassenmodelle zu komplettieren und um die direkten Wechselwirkungen dunkler Materie im Hinblick auf höherdimensionale Operatoren zu studieren. Schließlich konnte unmittelbar nach der Entdeckung des Higgs-Bosons am LHC dazu beigetragen werden, die Präzisionsphysik des Higgs-Sektors als neue Disziplin zu etablieren.

Publications

• Interpretation of precision tests in the Higgs sector in terms of physics beyond the Standard Model, Phys. Rev. D86 (2012) 093014
  F. Bonnet, T. Ota, M. Rauch, and W. Winter
  
• Neutrino Emission from Gamma-Ray Burst Fireballs, Revised, Phys. Rev. Lett. 108 (2012) 231101
  S. Hümmer, P. Baerwald, and W. Winter
  
• Systematic study of the d=5 Weinberg operator at one-loop order, JHEP 07 (2012) 153
  F. Bonnet, M. Hirsch, T. Ota, and W. Winter
  
• Neutrino mass hierarchy determination with IceCube-PINGU, Phys. Rev. D88 (2013) 013013
  W. Winter
  
• Photohadronic Origin of the TeV-PeV Neutrinos Observed in IceCube, Phys. Rev. D88 (2013) 083007
  W. Winter
  
• Systematic decom- position of the neutrinoless double beta decay operator, JHEP 03 (2013) 055
  F. Bonnet, M. Hirsch, T. Ota, and W. Winter
  
• Systematic uncertainties in long-baseline neutrino oscillations for large 013, Phys. Rev. D87 (2013) 033004
  P. Coloma, P. Huber, J. Kopp, W. Winter
  
• Common origin of reactor and sterile neutrino mixing, JHEP 07 (2014) 039
  A. Merle, S. Morisi, and W. Winter
  
• Higher Dimensional Effective Operators for Direct Dark Matter Detection, JHEP 02 (2014) 056
  M. B. Krauss, S. Morisi, W. Porod, and W. Winter
  
• Are gamma-ray bursts the sources of ultra-high energy cosmic rays?, Astropart. Phys. 62 (2015) 66
  P. Baerwald, M. Bustamante, W. Winter