Hadronische Beiträge zu Präzisionsobservablen und der Suche nach Neuer Physik

• Antragstellerin: Dr. Franziska Hagelstein
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449369623

Das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik ist überaus erfolgreich. Dennoch gibt es klare Hinweise auf Neue Physik (NP) jenseits des SM. Die Suche nach NP in Laborexperimenten verläuft an drei Fronten: Energie, Präzision und Intensität. Diese experimentellen Bemühungen müssen mit theoretischen Studien der SM-Vorhersagen einhergehen.Die Genauigkeit der SM-Vorhersagen ist oft durch hadronische Beiträge begrenzt, welche aufgrund der nicht-störungstheoretischen Natur der Quantenchromodynamik (QCD) schwer zu berechnen sind. Das Hauptziel dieses Projektes ist die Berechnung hadronischer Beiträge zu Präzisionsobservablen, wie dem anomalen magnetischen Moments des Myons (g-2) oder der Hyperfeinstruktur des myonischen Wasserstoffs (µH), systematisch zu verbessern. Hierfür verwenden wir zwei Ansätze: die effektive Feldtheorie (EFT) der QCD bei niedrigen Energien, genannt chirale Störungstheorie (ChPT), und Dispersionsrelationen (DRs) welche datengetriebene Berechnungen von hadronischen Beiträgen ermöglichen. Zusätzlich betrachten wir Kandidaten für NP, wie axion-ähnliche Teilchen (ALPs), welche verwendet werden um Diskrepanzen zwischen Experiment und SM zu erklären.Dieses Projekt ist in fünf Themengebiete unterteilt:1) g-2. Die Genauigkeit der g-2 SM-Vorhersage muss sich in Anbetracht der antizipierten Präzision des neuen Fermilab-Experiments verbessern. Wir werden einen neuen DR-Ansatz, basierend auf der Schwinger-Summenregel, für die Berechung der hadronischen Beiträge zu g-2 verwenden. Wir werden außerdem eine Machbarkeitsstudie für die Messung der Strukturfunktionen des Myons durchführen, welche auf eine datengetriebene Berechnungen der hadronischen Beiträge abzielt.2) µH. Die Messungen der Hyperfeinstruktur in µH sind auf theoretischen Input angewiesen. Wir werden die Strukturbeiträge des Protons mithilfe einer dispersiven Analyse überarbeiten, welche auf einem neuen globalen Fit der Protonen-Strukturfunktionen basiert der strikte theoretische Auflagen implementiert. Wir werden auch die Vorhersage der ChPT bis zur nächstführenden Ordnung erweitern.3) LFV. Mithilfe von EFT werden wir von experimentellen Suchen nach Prozessen mit geladener Lepton-Flavor-Verletzung, z.B. von Mu3e (PSI), Grenzwerte für Wechselwirkungen der NP ableiten.4) ALPs. Wir beschäftigen uns mit ALPs um mithilfe von Präzisionsobservablen, wie dem g-2, Ausschlußgrenzen für deren Masse und Kopplungen zu bestimmen. Wir werden außerdem Machbarkeitsstudien für den Nachweis des neutralen 17 MeV Bosons (X17) an Niederenergie-Elektronen- oder Positronenstrahlanlagen durchführen, z.B. an ELSA (Bonn), MAMI/MESA (Mainz), JLab und Frascati.5) DRs. Wir entwickeln den dispersiven Rahmen formal weiter, indem wir die bekannten Summenregeln für die elektromagnetischen Eigenschaften und Polarisierbarkeiten von Spin-1/2 Teilchen für Spin-1, Spin-3/2 und Spi-2 verallgemeinern. Diese wenden wir in Zusammenhang mit Atomspektroskopie, Streuexperimenten und der Detektion von Gravitationswellen an.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen