Detailansicht
The photon as new physics messenger: from the standard model to the dark sector
Lukas Semmelrock
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)
Betreuer*innen
Josef Pradler ,
André Hoang
DOI
10.25365/thesis.64116
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-22801.72480.231958-9
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Während die Schwerkraft die treibende Kraft im Universum ist, seine Expansion vorschreibt und unter dem Einfluss Dunkler Materie Galaxien bildet, bringt der Elektromagnetismus diese Informationen über das Universum zu uns. In dieser Arbeit werden durch Photonen induzierte oder vermittelte Emissionsprozesse untersucht, wie sie bei der Streuung elektrisch geladener Teilchen auftreten, aber auch bei deren Streuung mit dunkler Materie auftreten könnten. Zunächst wird ein Modell leichter (sub-GeV) Dunkle-Materie-Teilchen analysiert, die elektrisch neutral sind, aber über höherdimensionale Operatoren an den elektromagnetischen Strom koppeln. Solche Teilchen sind nicht nur Dunkle Materie Kandidaten, sondern können potentiell auch die Diskrepanz zwischen gemessenem und vorhergesagtem Wert des magnetischen Moments des Myons auflösen. Sie können in Experimenten oder in Sternen durch Bremsstrahlung in Kollisionen geladener Teilchen erzeugt werden, was es möglich macht, deren Parameterraum einzuschränken. Es wird gezeigt, dass der Parameterraum, der die Diskrepanz des magnetischen Moments des Myons lösen kann, durch Experimente ausgeschlossen ist. Die Möglichkeit, dass solche Teilchen die gesamte Dunkle Materie ausmachen, ist in einem Standard-Freeze-Out Szenario stark eingeschränkt, jedoch nicht vollständig ausgeschlossen. Weiters wird die Emission von Photonen in Kollisionen von Fermionen untersucht.
Eine analytische Berechnung des Emissionswirkungsquerschnitts für die Streuung zwei identischer nicht-relativistischer geladener Teilchen, die exakt in allen Ordnungen in der Coulomb-Wechselwirkung ist und somit die Lücke zwischen Born- und der quasi-klassischer Näherung schließt, wird präsentiert. Die erhaltenen Ergebnisse sind sowohl relevant für Elektron-Elektron-Bremsstrahlung in nicht-relativistischen astrophysikalischen Umgebungen, als auch für die Abstrahlung dunkler Photonen in Modellen selbstwechselwirkender Dunkler Materie.
Abstract
(Englisch)
While gravity is the driving force in the universe---dictating its expansion and forming galaxies under the influence of dark matter---it is electromagnetism that brings information about the universe to us. This thesis studies emission processes induced or mediated by photons as they occur in the scattering of electrically charged particles and may occur in the scattering with dark matter. First, we analyze a dark matter model of light (sub-GeV) particles that are electrically neutral but couple to the electromagnetic current via higher dimensional operators. Such particles---in addition to being dark matter candidates---can potentially alleviate the tension between the measured and predicted value of the magnetic moment of the muon. They can be produced in terrestrial experiments or in stellar objects via bremsstrahlung in collisions of charged particles, allowing us to constrain the parameter space of the model. We show that the parameter space capable of solving the tension of the magnetic moment of the muon is ruled out by experiments. Furthermore, the viability of such particles to make up all of the dark matter in a standard freeze-out scenario is strongly constrained, yet not completely ruled out. Second, we investigate the emission of photons in fermion collisions. We present an analytical calculation of the emission cross-section and energy loss rate for the scattering of two identical non-relativistic charged particles. This calculation is exact to all orders in the Coulomb interaction and closes the gap between the Born and quasi-classical limits. The obtained results are relevant for electron-electron bremsstrahlung in non-relativistic astrophysical environments as well as for dark photon emission in self-interacting dark matter models.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
particle physics dark matter emission processes scattering processes bremsstrahlung
Schlagwörter
(Deutsch)
Teilchenphysik Dunkle Materie Emissionsprozesse Streuungsprozesse Bremsstrahlung
Autor*innen
Lukas Semmelrock
Haupttitel (Englisch)
The photon as new physics messenger: from the standard model to the dark sector
Paralleltitel (Deutsch)
Das Photon als Bote neuer Physik : vom Standardmodell zum dunklen Sektor
Publikationsjahr
2020
Umfangsangabe
xv, 141 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Thomas Schwetz-Mangold ,
Adam Ritz
Klassifikation
33 Physik > 33.56 Elementarteilchenphysik
AC Nummer
AC16169222
Utheses ID
56885
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |