Genaue Berechnung von N_eff im Standardmodell

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Klasen
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 549385911

Die effektive Zahl von Neutrinos N_eff ist ein kritischer Parameter in allen kosmologischen Präzisionsrechnungen. Im Standardmodell (SM) der Teilchenphysik erwartet man als Wert drei für drei Generationen, zuzüglich prozentualer Korrekturen aufgrund von restlichem Energietransfer zwischen dem quantenelektrodynamischen (QED) Plasma und dem Neutrinosektor während der Neutrinoentkopplung sowie Abweichungen des QED-Plasmas selbst von einem idealen Gas. Leider sind die jüngsten SM-Präzisionsberechnungen von N_eff nicht schlüssig. Darüber hinaus sagen viele Szenarien jenseits des SMs N_eff-ähnliche Effekte voraus, darunter leichte sterile Neutrinos, Axionen, Gravitationswellen und Lösungen für die Diskrepanzen in Beobachtungen des Hubble-Parameters. Das CMB-Experiment der nächsten Generation (Stufe 4) CMB-S4 und andere geplante Observatorien werden N_eff mit noch höherer Genauigkeit messen als der Planck-Satellit. Es gibt also starke theoretische und experimentelle Beweggründe für weitere Präzisionsberechnungen von N_eff im SM. Aufbauend auf einer Kollaboration, die während eines Forschungssemesters an der UNSW Sydney im Jahr 2022 etabliert wurde und in einer kürzlich erschienenen Publikation dokumentiert ist, werden wir Quantenkorrekturen bei endlicher Temperatur für die Raten der schwachen Wechselwirkung berechnen, die den Energietransport der Neutrinos und die Entkopplung vom quantenelektrodynamischen (QED) Plasma bestimmen. Geplant ist auch, die Bildung von Positronium-Bindungszuständen und ihre Auswirkungen auf die QED-Zustandsgleichung zu untersuchen sowie Instabilitäten durch anisotrope Neutrino-Neutrino-Vorwärtsstreuung und schnelle Flavour-Konversion und ihre Auswirkungen auf den Neutrino-Energietransport zu berücksichtigen. Der Einfluss dieser Berechnungen auf N_eff wird mit verschiedenen Methoden evaluiert, um die verbleibende Unsicherheit abzuschätzen. Schließlich sollen die Ergebnisse in das öffentliche Tool FortEPiaNO implementiert werden. Das erwartete Ergebnis ist eine neue maßgebliche Vorhersage für N_eff im SM, die auf vier signifikante Stellen genau ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Australien, Belgien
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Marco Drewes; Professorin Dr. Yvonne Yuen Ying Wong