The mysteries of leptons [Elektronische Ressource] : new physics and unexplained phenomena / put forward by Alexander Merle

Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and forMathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural SciencesPut forward byDipl.-Phys. Univ. Alexander MerleBorn in: Arad, RomaniaOral Examination: December 9th 2009The Mysteries of Leptons:New Physics and unexplained PhenomenaReferees:Prof. Dr. Manfred Lindner&Prof. Dr. Tilman PlehnZusammenfassungDiese Doktorarbeit besch¨aftigt sich mit den Mysterien des leptonischen Sektors des Standard-¨modells der Elementarteilchenphysik. Nach einem kurzen Uberblick ub¨ er das StandardmodellbeginntderTextmiteinerEinfuhrung¨ dersogenannten“GSI-Anomalie”,derBeobachtungeinerperiodischen Modullierung des exponentiellen Zerfallsgesetzes, welche noch immer unerkl¨art istundalscf¨ hlicherweise Neutrinooszillationen zugeschrieben wurde. Es wird argumentiert wes-halb diese Interpretation falsch ist und einige weitere Apekte des Ph¨anomens werden disku-tiert. Danach werden zwei Themen der Neuen Physik jenseits des Standardmodells behandelt,Doppel-beta-Prozesse und Leptonfamilienzahlverletzung. Einige wichtige ph¨anomenologischeAspekte des ersteren Punktes werden diskutiert, bevor eine detaillierte Berechnung des ra-diativen Prozesses des neutrinolosen Doppel-Elektroneneinfangs durchgefuhrt¨ wird. Trotz derwinzigen Raten ist ein detailliertes Verst¨andnis dieses Prozesses wichtig, um korrekte experi-mentelleUntergrenzenfestzulegen.
Publié le : jeudi 1 janvier 2009
Lecture(s) : 20
Tags :
Source : ARCHIV.UB.UNI-HEIDELBERG.DE/VOLLTEXTSERVER/VOLLTEXTE/2009/10180/PDF/PHD_MERLE.PDF
Nombre de pages : 132
Voir plus Voir moins

Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for
Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
Put forward by
Dipl.-Phys. Univ. Alexander Merle
Born in: Arad, Romania
Oral Examination: December 9th 2009The Mysteries of Leptons:
New Physics and unexplained Phenomena
Referees:
Prof. Dr. Manfred Lindner
&
Prof. Dr. Tilman PlehnZusammenfassung
Diese Doktorarbeit besch¨aftigt sich mit den Mysterien des leptonischen Sektors des Standard-
¨modells der Elementarteilchenphysik. Nach einem kurzen Uberblick ub¨ er das Standardmodell
beginntderTextmiteinerEinfuhrung¨ dersogenannten“GSI-Anomalie”,derBeobachtungeiner
periodischen Modullierung des exponentiellen Zerfallsgesetzes, welche noch immer unerkl¨art ist
undalscf¨ hlicherweise Neutrinooszillationen zugeschrieben wurde. Es wird argumentiert wes-
halb diese Interpretation falsch ist und einige weitere Apekte des Ph¨anomens werden disku-
tiert. Danach werden zwei Themen der Neuen Physik jenseits des Standardmodells behandelt,
Doppel-beta-Prozesse und Leptonfamilienzahlverletzung. Einige wichtige ph¨anomenologische
Aspekte des ersteren Punktes werden diskutiert, bevor eine detaillierte Berechnung des ra-
diativen Prozesses des neutrinolosen Doppel-Elektroneneinfangs durchgefuhrt¨ wird. Trotz der
winzigen Raten ist ein detailliertes Verst¨andnis dieses Prozesses wichtig, um korrekte experi-
mentelleUntergrenzenfestzulegen. DerletzteTeilderArbeitbeginntmitsehrallgemeinen(und
fast modellunabh¨angigen) Bedingungen fur¨ die Erhaltung der Leptonfamilienzahl. Daraufhin
wird das Zusammenspiel von Struktur und Freiheit im Yukawa-Sektor eines Modells in Kon-
frontation mit der Ph¨anomenologie untersucht. Schließlich kommentieren wir noch einen neuen
Mechanismus, der in der Tat realistische Strukturen erzeugen kann, welche zu leptonfamilien-
zahlverletzenden Effekten fuhren.¨
Abstract
This doctoral thesis deals with the mysteries of the leptonic sector of the Standard Model of
Elementary Particle Physics. After giving a short overview about the Standard Model itself,
the text starts with introducing the so-called “GSI anomaly”, the observation of a periodic
modulation of the exponential decay law, which is still unexplained and has erroneously been
attributed to neutrino oscillations. It is argued why this interpretation is incorrect and several
further aspects of the phenomenon are discussed. Afterwards two topics of New Physics be-
yondtheStandardModelaretreated, doublebetaprocessesandleptonflavourviolation. Some
important phenomenological aspects of the former are discussed before performing a detailed
calculation of the radiative process of neutrino-less double electron capture. In spite of the
tiny rates, a detailed understanding of this process is important for setting proper experimental
limits. The last part of the thesis starts with very general (and nearly model-independent) con-
straintsforleptonflavourconservation, beforediscussingtheinterplayofstructureandfreedom
in the Yukawa sector when a model is confronted with phenomenology. We also comment on
a new mechanism that can indeed introduce some realistic structures leading to lepton flavour
violating effects.6Dedicated to S.
For all the joy you brought in my life
R.I.P.8Contents
1 Introduction 11
2 The Standard Model and beyond 13
3 The GSI anomaly 17
3.1 The experiment at GSI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 The results of the measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3 Experimental difficulties and oddities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4 Intuitive thoughts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.5 Comparisons to other processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.5.1 The Double Slit experiment with photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
+ ¡ + ¡3.5.2 e e !µ µ scattering at a collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.5.3 The situation in the GSI-experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.6 Amplitudes - probably the easiest language to use . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.6.1 Charged pion decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.6.2 Neutrino oscillations and the GSI-experiment . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.7 The correct Quantum Field Theory treatment of EC decay . . . . . . . . . . . . 30
3.8 Quantum Beats and the GSI anomaly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.8.1 Single atom of type I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.8.2 A hypothetical splitting in the initial state . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.8.3 Single atom of type II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.8.4 Two atoms of type II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.9 Wrong and doubtful approaches in the literature . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4 Neutrino-less double Electron Capture 39
4.1 double beta decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2 Phenomenology of the effective neutrino mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2.1 Special regions in the parameter space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2.2 The interplay with other future data: statistical analysis . . . . . . . . . . 41
4.2.3 The iny with other data: numerical results . . . . . . . . . . 43
4.3 Alternative double beta processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4 The one-photon mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4.1 The basics of the calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4.2 Factoring out the nuclear part . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.4.3 The nuclear matrix element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4.4 The low Q region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4.5 The high Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.4.6 Numerical results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.5 The two-photon mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5.1 The Feynman diagrams and the starting point of the calculation . . . . . 67
910 CONTENTS
4.5.2 The low Q region for diagram A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.5.3 The low Q region for B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.5.4 The final form of the decay rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.5.5 The numerical results and the ratio to the 1-photon case . . . . . . . . . . 74
4.5.6 Comments on the experimental situation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5 Lepton Flavour Violation 77
5.1 The rare decay µ!eγ and other lepton flavour violating processes . . . . . . . . 77
5.2 The necessity of general conditions for flavour violation . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3 Neutral bosons at tree-level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.1 The Standard Model with massive neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.2 Multi Higgs Doublet Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
05.3.3 Z -models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3.4 The 331-model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3.5 LR-symmetric models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3.6 Vector-like isosinglets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.4 Doubly charged bosons at tree-level. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.4.1 Triplet Higgs Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.4.2 The 331-model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.4.3 LR-symmetric models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.5 Lepton flavour violation at 1-loop level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.5.1 The Standard Model with massive neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.5.2 Multi Higgs models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.5.3 Universal Extra Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.5.4 The Minimal Supersymmetric Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.6 Constraining Models with Flavour Symmetries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.6.1 The general arguments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.7 The Ma-model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.8 Imposing discrete flavour symmetries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.8.1 The A -model (Model 1). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034
5.8.2 The D -model (Model 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1044
5.9 The numerical analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.9.1 The general procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
25.9.2 The χ -fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.9.3 Predictions for various LFV-experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.9.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.10 Radiative transmission of lepton flavour hierarchies . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.10.1 The basics of the model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.10.2 A seesaw-like formula for Neutrino masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.10.3 The mechanism of radiative transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6 Conclusions 115
Acknowledgments 119
Bibliography 121

Soyez le premier à déposer un commentaire !

17/1000 caractères maximum.