Forschung: Physik jenseits des Standardmodells

Mit der Entdeckung des Higgs-Bosons am Large Hadron Collider (LHC) im Jahr 2012 ist das Standardmodell der Teilchenphysik formal vollständig. Es gibt jedoch eindeutige experimentelle Hinweise, die eine Erweiterung des Standardmodells verlangen. Die Entdeckung der Neutrinooszillationen, die 2015 mit dem Nobelpreis für Physik prämiert wurde, und die daraus resultierende nichtverschwindende Neutrinomasse war der erste experimentelle Nachweis für Physik jenseits des Standardmodells. Ein weiterer experimenteller Hinweis für Physik jenseits des Standardmodells ist die beobachtete Baryonasymmetrie des Universums. Die beobachtete Menge Antimaterie ist nicht ausreichend, um den Energiehaushalt des frühen Universums auszugleichen. Neben diesen experimentellen Hinweisen gibt es noch eine Reihe von Indizien, dass das Standardmodell unvollständig ist: das Hierarchieproblem, das Flavour-Puzzel, das starke CP Problem, die Protonstabilität, Inflation, Dunkle Materie und Dunkle Energie.

Unter Einbeziehung neuer weltweiter experimenteller Ergebnisse wie beispielsweise Gravitationswellenbeobachtungen und in enger Zusammenarbeit mit den lokalen experimentellen Suchen nach Dunkler Materie, Leptonzahlverletzung, zusätzlichen Neutrinos und neuen Neutrinowechselwirkungen befasst sich die Theoriegruppe der Abteilung mit möglichen Erweiterungen des Standardmodells. Die Erweiterung des Standardmodells erfordert spezielles Fachwissen unterschiedlicher Gebiete, um theoretische Überlegungen mit experimentellen Erkenntnissen zu verknüpfen. Interessante Fragestellungen mit denen sich die Gruppe in diesem Zusammenhang beschäftigt sind beispielsweise elektroschwache Symmetriebrechung, konforme Erweiterungen des Standardmodells, phänomenologische Studien und neue Modelle zur Beschreibung der Dunklen Materie, große vereinheitlichte Theorien, zusätzliche Raum-Zeitdimensionen, Leptonflavourverletzung, Leptonzahlverletzung, Baryonzahlerhaltung, sterile Neutrinos, links-rechts-symmetrische Erweiterungen des Standardmodells, Dunkle Energie, Inflationsmodelle, neue Gravitationstheorien, Gravitationswellen als experimenteller Nachweis neuer Physik, Neutrinomassen und -mischungen, so wie Baryogenese.

Abbildung: Teilchen des Standard Modells. Der Ursprung der drei Generationen von Fermionen (I,II,III) ist nicht verstanden. Theoretische Argumente und experimentelle Beobachtungen erfordern eine Erweiterung.