Untersuchungen von Neue Physik mit generischen Präzisionsberechnungen

• Antragsteller: Dr. Johannes Braathen
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 520070247

Das Verständnis der grundlegenden Naturgesetze verspricht tiefgreifende Auswirkungen auf Wissenschaft und Gesellschaft. Während das Standardmodell (SM) bisher sehr erfolgreich bei der Beschreibung von Physik innerhalb einer großen Energieskala ist, so ist sowohl aus theoretischen Überlegungen als auch aus experimentellen Ergebnissen klar, dass es nicht die ultimative Theorie der Natur sein kann. Eine der drängendsten Herausforderungen der Hochenergiephysik ist daher der Zugang zur Natur der Physik jenseits des SM (BSM). Direkte Suchen an Teilchenbeschleunigern haben noch keine konkreten Beweise dafür gefunden, welche Natur BSM Physik zugrunde liegt. In absehbarer Zukunft werden jedoch riesige Datenmengen aus verschiedenen Experimenten verfügbar sein – Higgs-Präzisionsmessungen, niederenergetische Observablen, kosmologische Beobachtungen usw. –, die ergänzende Untersuchungsmöglichkeiten bieten. Dafür müssen Theoretiker Präzsionsvorhersagen für Observablen anstellen, um festzustellen ob ein Modell mittels eines bestimmten Experimentes bei gegebener Sensivität ausgeschlossen werden kann. Diese gewaltige Aufgabe kann effizient mit Hilfe von Automatisierung erreicht werden: indem die zu untersuchende Observable zunächst für eine allgemeine renormierbare Theorie berechnet und das Ergebnis anschließend auf jene spezifische BSM-Modelle anwendet. Ziel dieser Arbeit ist es, Anwendungsmöglichkeiten zu erweitern und die Genauigkeit von automatisierter Präzisionsrechnungen zu erhöhen. Beispielsweise wird hierduch die Fähigkeit, elektroschwache (EW) Symmetriebrechung und CP-Verletzung zu untersuchen, erheblich gestärkt. Somit können eine Vielzahl konkrete Modelle mittels generischer Resultate effizient und Präzise untersucht werden. Zu Beginn werden neue Korrekturen höherer Ordnung für Higgs-Kopplungen und -Zerfälle berechnet und die Präzision der Interpretation experimenteller Grenzen in Bezug auf Einschränkungen des BSM-Parameterraums verbessert. Diese Entwicklungen werden starke Einschränkungen für Modelle mit erweiterten skalaren Sektoren ermöglichen, bis hin zu viel höheren Skalen als mit direkten Suchen. Als nächstes werden genaue Vorhersagen der Stärke des EW-Phasenübergangs in allgemeinen Theorien erarbeitet und generische Vorhersagen für Spektren von Gravitationswellen oder Dichten von primordialen Schwarzen Löchern, die während Phasenübergängen erster Ordnung erzeugt werden, abgeleitet. Dies wird eine völlig neue Richtung eröffnen, um BSM-Theorien anhand kosmologischer Beobachtungen zu untersuchen. Schließlich werden elektrische Dipolmomente für zusammengesetzte Zustände in generischen Modellen berechnet, um die oberen Grenzen möglicher BSM-Quellen der CP-Verletzung erheblich zu verbessern. Dieses Projekt wird den Weg für eine umfassende Suche nach neuer Physik eben, welcher sowohl die bestehenden als auch die noch kommenden Datenmengen mit größter Präzision untersucht und somit einen großen Beitrag zur Entdeckung neuer Physik leisten wird.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen