Präzise Standardmodellkorrekturen zur Suche nach Neuer Physik mit der Unitaritätstests der Cabibbo-Kobayashi-Maskawa Quarkmischungsmatrix

• Antragsteller: Dr. Mikhail Gorshteyn
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495329596

Mit dem Nachweisen des Higgs-Bosons sind alle von den Symmetrien des Standardmodells (SM) und deren Brechung erforderten Elementarteilchen entdeckt worden. Sehr erfolgreich in der Teilchenphysik, SM ist jedoch nicht im Stande, eine Reihe der kosmologischen Beobachtungen zu beschreiben, was die Suche nach neuen Teilchen- und Wechselwirkung-Sektoren jenseits des SM (BSM) motiviert. Sollten schwere neue Teilchen existieren, so erwartet man, dass diese an Colliders sichtbar werden. Keine solche Signale wurden bislang am LHC erfasst, was andeutet, dass die neue BSM Teilchen schwerer sein können, als ursprünglich erwartet. Diese Hypothese kann mit den zukünftigen Colliders getestet werden. Überraschenderweise findet man "kleine Risse" im SM bei niedrigen Energien, z.B. mit den Elementen der Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) Quarkmischung-Matrix. Eine Diskrepanz zwischen exklusiven und inklusiven Zerfallkanälen des b-Quarks erwartet eine Erklärung. Die Unitaritäts-bedingung in der ersten Zeile des CKM-Matrix erweist ein 2.3σ Defizit, dass aus einer Kombination der Kern- und Kaonzerfällen stammt und könnte auf die Existenz der rechthändigen geladenen Strömen weisen, die im SM nicht vorhanden sind. Um solche BSM-Signale eindeutig identifizieren zu können, präzise theoretische Rechnungen der SM-Korrekturen sind fundamental. Aufgrund des Confinements sind schwache Prozesse mit leichten quarks lediglich anhand deren gebundene Zustände, Hadronen, zugänglich. Quantenchromodynamik, die Theorie der starken Wechselwirkung, die diese Bindung beschreibt, ist sehr komplex und bei niedrigen Energien nicht perturbativ. Diese Komplikationen können dadurch überwunden werden, dass man theoretische Rechnungen mit Input aus anderen experimentellen Daten verknüpft. Hadronische Eigenschaften, die man diesen anderen Daten entnimmt und für Präzisionstests der CKM-Unitarität einsetzt, sind auf einigen Theorie-Annahmen basiert, die den im Präzisionstest entsprechen sollen. Das "data-driven" Herangehen muss damit dem eigentlichen Präzisionstest darüber hinaus gehen und alle Prozesse konsistent betrachten. In der ersten Förderperiode habe ich eine Data-Driven Methode zum extrahieren vom CKM-Matrixelement Vud aus superallowed Beta-Kernzerfällen entwickelt. Die Methode kombiniert Rechnungen in Ab-Initio Kerntheorie mit den Ladungsradien, die aus Atomspektren und Elektronenstreuungdaten gewonnen werden. In diesem Verlängerungsprojekt entwickle ich diese innovative Data-Driven Methode, die auf meiner Expertise in SM Strahlungskorrekturen in elektroschwachen Prozessen, sowie neu entstandenen Kollaborationen mit Experten in Kerntheorie, QED-Rechnungen und Phänomenologie, basiert, weiter. Dazu schlage ich eine neue Methode vor, Kernstruktur-Effekte in superallowed β-Zerfällen der Kerne, muonischen Atomen und Elektronenstreuung an Kernen auszurechnen. Das Projekt wird wichtige Theorie-Ingrediente für Vud und Tests der CKM-Unitarität liefern und Erweiterungen des SM einschränken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Indien, Israel, USA
• Mitverantwortliche: Professorin Dr. Sonia Bacca; Professorin Dr. Concettina Sfienti
• Kooperationspartner: Professor Dr. Ben Ohayon; Professor Dr. Bijaya Kumar Sahoo; Dr. Chien-Yeah Seng