Composite Higgs Modelle: neue Signaturen und ihre Konsequenzen für Suchen am LHC und an zukünftigen Beschleunigern

• Antragsteller: Professor Dr. Werner R. Porod
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506512996

Die Entdeckung des Higgs-Bosons am LHC im Jahr 2012 war zweifellos eine Krönung jahrzehntelanger Forschung in der Elementarteilchenphysik und eine Erfolgsgeschichte für das Standardmodell der Teilchenphysik. Allerdings kann dies noch nicht als erfolgreicher Abschluss gesehen werden, da der Brout-Englert-Higgs-Mechanismus im Standardmodell eine bloße Beschreibung der elektroschwachen Symmetrieunterbrechung ohne Verständnis seines dynamischen Ursprungs ist. Mit der Entdeckung einer skalaren Resonanz bei 125 GeV ist dieses Problem, welches oft auch als Natürlichkeitsproblem bezeichnet wird, akut geworden. Darüber hinaus warten noch seit Jahren bestehende Hinweise für neue Physik jenseits des Standardmodells auf eine zufriedenstellende Erklärung: Neutrinomassen, dunkle Materie und die Baryonenasymmetrie des Universums. Zudem ist die Stuktur der Massenspektra der Quarks und Leptonen ein großes Rätsel. ,,Composite Higgs"-Modelle bieten eine dynamische Erklärung des Higgs-Bosons als Pseudo-Nambu-Goldstone-Boson inklusive der Form seine Potentials. Die relative hohe Masse des Top-Quarks im Vergleich zu den anderen Quarks ergibt sich aus der Mischung mit sogenannten Hyperbaryonen. Die LHC-Kollaborationen haben mittlerweile Massengrenzen für diese Hyperbaryonen und andere Bindungszustände im Bereich von 1 TeV und darüber erarbeitet. Diese Grenzen passieren allerdings größtenteils auf Annahmen, die sich aus dem minimalen ,,Composite Higgs"-Modell ergeben. Während das minimale Modell sehr nützlich ist, um eine erste Idee für die möglichen Signaturen zu bekommen, ergibt sich in realistischeren Modellen ein weitaus komplexeres Bild. Zum Bespiel enthalten diese nicht nur zusätzliche elektroschwache Pseudo-Nambu-Goldstone-Bosonen sondern auch solche, die unter der starken Wechselwirkung geladen sind. Deren Existenz ändert die Zerfälle der Hyperbaronen und anderer Bindungszustände signifikant. Darüber hinaus sagen realistische Modell oft zusätzliche Hyperbaryonen vorher, die einen signifikant größeren Produktionswirkungsquerschnitt an Hadronbeschleunigern besitzen im Vergleich zu denen des minimalen Modells. Dies hat profunde Auswirkungen auf die Signaturen dieser neuen Teilchen am LHC und anderen Beschleunigern. In diesem Projekt werden wir dies im Detail erforschen. Zum einem werden wir untersuchen ob sich Spuren dieser geänderten Signaturen in existierenden LHC-Daten verstecken. Zum anderen werden wir die Konsequenzen für die Suche in den anstehenden LHC-Läufen beziehungsweise für zukünftige Beschleuniger wie zum Beispiel einem 100 TeV Proton-Proton-Beschleuniger ausarbeiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Schweden, Südkorea
• Kooperationspartner: Dr. Giacomo Cacciapaglia; Professor Dr. Gabriele Ferretti; Dr. Thomas Flacke; Professor Dr. Benjamin Fuks