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Phänomenologie der Elementarteilchen


Details:


Diskrete Symmetrien, anomale Eichboson-Kopplungen

O.Nachtmann, T.Bergmann, A.Utermann
Die diskreten Symmetrien der Raumspiegelung (P), Ladungskonjugation (C) und Zeitumkehr (T) sind in der Natur alle einzeln gebrochen, ihr Produkt ist erhalten (CPT-Theorem). Effekte der P-Verletzung in der Atomphysik werden durch den Austausch von Z-Bosonen zwischen den Elektronen der Hülle und den Quarks im Kern beschrieben. Wir untersuchen neuartige Manifestationen davon in Energieverschiebungen und geometrischen (Berry-) Phasen. Die Möglichkeiten des Nachweises dieser Effekte mit Hilfe eines Atomstrahl-Interferometers werden studiert.

Die Verletzung der kombinierten Ladungskonjugations- und Paritätssymmetrie CP ist bisher nur in den Systemen der neutralen K- und B-Mesonen experimentell beobachtet worden. Wir studieren CP-ungerade Effekte in Hochenergiereaktionen, beispielsweise in Z-Zerfällen und Elektron-Positron-Kollisionen bei 100 bis 800 GeV Schwerpunktsenergie. Damit kann man Aufschluß über mögliche Erweiterungen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik (Multi-Higgs-Modelle, supersymmetrische Modelle etc.) gewinnen. Eine besondere Bedeutung spielt hierbei ein zukünftiger internationaler Linearbeschleuniger (ILC) mit einer e+e- Schwerpunktsenergie von 500 GeV und mehr (siehe dazu auch Anomale Eichboson-Kopplungen am ILC ).

Einige Publikationen


Anomale Eichboson-Kopplungen am ILC

O.Nachtmann, A.Utermann
Im Standardmodell (SM) der Elementarteilchenphysik sind die Kopplungen zwischen den Eichbosonen der elektroschwachen Wechselwirkung genau festgelegt. Dies hängt mit der Renormierbarkeit des SM zusammen. Die Überprüfung dieser Kopplungen ist ein wichtiges Ziel gegenwärtiger und zukünftiger Experimente z.B. an einem internationalen e+e- Linear-Collider (ILC). Wir entwickeln theoretische Methoden wie diese Kopplungen optimal überprüft werden können und untersuchen die Konsequenzen anomaler Effekte auf Präzisionsobservablen.

Solche anomalen Effekte lassen sich auch am kommenden pp Collider LHC überprüfen. Wir möchten im Rahmen eines LHC - Seminars eine Diskussion zwischen Theoretikern und Experimentalphysikern über die am LHC zu verfolgenden Ziele fördern. Es sei hier erwähnt, daß der LHC aufgrund seiner bisher unerreichten Energie auch vom fundamentalem Interesse für die Untersuchungen im Rahmen der Theorie der Hochenergiestreuung ist und neue Möglichkeiten für die Erweiterung des Verständnisses der nichttrivialen Struktur des Vakuums bietet.

Einige Publikationen


Theorie der Hochenergiestreuung

O.Nachtmann, A.Utermann

Hier ist auch die Arbeitsgruppe Kernphysik beteiligt (H.J.Pirner).

Die theoretische Beschreibung der Streuung von Hadronen bei hohen Energien und kleinen Impulsüberträgen im Rahmen der Quantenchromodynamik (QCD) ist das Forschungsthema dieses Schwerpunkts. Weder die Störungstheorie noch die numerischen Methoden der Gitter-Eichtheorie sind zur Behandlung dieses Problems geeignet.

Ausgehend vom Funktionalintegral der QCD haben wir ein Verfahren entwickelt, die relevanten Streuamplituden als Erwartungswerte von lichtartigen Wegner-Wilson-Schleifen darzustellen. Die Berechnung dieser Erwartungswerte kann dann mit nicht-störungstheoretischen Methoden, insbesondere im Rahmen des Modells des stochastischen Vakuums, durchgeführt werden.

Ein interessantes Teilgebiet der Hochenergiestreuung, das in der Arbeitsgruppe untersucht wird, sind die in der tief inelastischen Streuung bei HERA gemessenen Reaktionen bei kleinen Werten der Bjorken-Skalenvariablen x.

Einige Publikationen



Konsequenzen der nichttrivialen Struktur des Vakuums

O.Nachtmann, A.Utermann

In einer nichtlinearen Theorie wie der QCD hat der Zustand niedrigster Energie (das Vakuum) sehr wahrscheinlich eine nichttriviale Struktur. Diese Tatsache könnte der Schlüssel sein zum phänomenologischen Verständnis vieler interessanter und überraschender Effekte der QCD, sowohl in der Niederenergie-Physik (Spektroskopie) als auch in der Hochenergiestreuung. Für viele Anwendungen kann die Vakuumstruktur durch ein Gaußsches stochastisches Modell beschrieben werden, das ein analytisches Werkzeug für die Berechnung von Prozessen liefert, die (noch) nicht mit anderen Verfahren behandelt werden können.

Eine bekannte Struktur des Vakuums wird durch Instantonen geliefert. Wir untersuchen u.a. den Einfluß von Instantonen auf den Drell-Yan Prozeß bei dem ein Lepton-Paar in Hadron-Hadron Stößen erzeugt wird.


Einige Publikationen


Schwache Zerfälle schwerer Quarks

B. Stech (in Zusammenarbeit mit D. Melikhov (Moskau))
Die grundlegenden Parameter des Standardmodells im Quark-Sektor können nur indirekt aus hadronischen Eigenschaften bestimmt werden. Zerfälle schwerer Quarks sind dazu geeignet, besonders im Hinblick auf die noch nicht verstandene Verletzung der CP Symmetry. Mehrere Methoden, wie chirale Symmetrie, effektive Theorien schwerer Quarks, Grenzfälle grosser Energie und Quark-Modelle werden dazu verwendet, das Standard Modell zu ueberpruefen und ein detailliertes Verständnis zahlreicher experimenteller Ergebnisse zu erlangen.


Neutrinomassen und Oszillationen

B. Stech, C.Wetterich

Die neuen Experimente in der Neutrinophysik, d. h. die Messungen der Sonnenneutrinos und die Messungen der in der Erdatmosphäre erzeugten Neutrinos, bestätigen die Existenz von Neutrino-Oszillationen. Diese lassen ein interessantes Massenspektrum der bekannten 3 Neutrinoarten erwarten. Insbesondere die Existenz eines sehr kleinen und zwei grosser Mischungswinkel ist von erheblichem Interesse. Diese Resultate stellen den ersten konkreten experimentellen Beweis für notwendige Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik dar. Einfache Ansätze dazu benötigen zu den bekannten Neutrinos die Existenz von sehr schweren rechtshändigen Neutrinos wie sie von Theorien zur großen Vereinigung (GUT's) vorhergesagt werden. Die Eigenschaften dieser schweren Neutrinos sind wesentlich für die Kleinheit der Massen der leichten Neutrinos und könnten für einige besonderen Eigenschaften des frühen Universums verantwortlich sein. Von besonderem Interesse für uns ist der mögliche enge Zusammenhang zwischen den Spektren und Mischungen der Quarks und der geladenen Leptonen mit denen der Neutrinos. Die damit zusammenhängenden Probleme sind zur Zeit eines der aufregendsten Forschungsgebiete der Teilchenphysik. In einem wichtigen Teil unserer Arbeit benutzen wir für die Symmetrie zur grossen Vereinheitlichung der elementaren Kräfte die anspruchsvolle exzeptionelle Gruppe E6. Aufbauend auf früheren Arbeiten zum theoretischen Verstädnis der Neutrinoeigenschaften versuchen wir, die Spektren und Mischungen aller Fermionen über die Verknüpfung von Vereinheitlichungstheorie mit Generationssymmetrie zu verstehen. Unser Ziel ist die Konstruktion eines einheitlichen Modells in der alle Massen und Mischungen durch die gemeinsame Brechung von GUT und Generationensymetrie erklärt werden können. Die starke potenzartige Hierarchie der geladenen Fermionen und die offenbar weniger starke Hierarchie der Neutrinos gibt einen ersten Hinweis für eine erfolgreiche Beschreibung mittels eines kleinen universellen Parameters. Die in nächster Zeit zu erwartenden Resultate der experimentellen Neutrinophysik werden wichtige Aufschlüsse zur Ursache der Neutrino-Oszillationen geben. Sie werden uns erlauben, existierende Neutrinomodelle einerseits einzuschränken, andererseits zu erweitern und insbesondere die Symmetrieüberlegungen auszubauen. Schwere Neutrinos und andere von der Theorie vorhergesagte Teilchen spielen eine wichtige Rolle in der Physik des frühen Universums. Hieraus ergeben sich interessante Testmöglichkeiten der Theorie.

Einige unserer frühen Publikationen zu Neutrinos und GUT's:

  • M. Magg, C. Wetterich, Phys. Lett. 94B(1980) 61;
  • C. Wetterich, Nucl. Phys. B187 (1981) 343; Nucl. Phys. B279 (1987) 711;
  • B. Stech, in: Flavour Mixing in Weak Interaction, Ed.L.L. Chau, Plenum Press,V20 (1984) 735;
  • J. Bijnens, C. Wetterich, Nucl. Phys. B292 (1987) 443

Neuere Arbeiten von uns zu Neutrinos und GUT's:

  • C. Wetterich, hep-ph/9812426, Phys. Lett.B 451 (1999) 397;
  • B. Stech, hep-ph/9905440, Phys.Lett.B 465:219-225, 1999;
  • B. Stech, hep-ph/9909268, Baltimore 1999, Neutrinos in the new millennium (295-303);
  • B. Stech, hep-ph/0006076, Phys.Rev.D62:093019, 2000;
  • B. Stech and Z. Tavartkiladze, hep-ph/0311161, Phys.Rev.D70:035002, 2004.

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