German Title: Effektive Neutrinowechselwirkungen: Ursprünge und Phänomenologie

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Abstract

We investigate neutrino interactions beyond the Standard Model of particle physics in a model-independent framework. Considering general gauge- and Lorentz-invariant operators composed of the known fundamental particles and hypothetical sterile neutrinos, we review the effective field theory descriptions of interactions above and below the weak scale with particular emphasis on neutrino interactions. Furthermore, we identify gauge extensions, leptoquarks, as well as charged and neutral scalars as potential origins of such new interactions which are consistent with our current observations and can be tested through their traces in neutrino experiments or the direct production of mediators at particle colliders. We survey experimental constraints on effective neutrino interactions at energies below the weak scale, including an analysis of the sensitivity of the DUNE and KATRIN experiments towards new interactions in neutrino-electron scattering and tritium beta decay, respectively. We find that if the new interactions are generated by gauge-invariant operators above the weak scale, which would be expected if they originate from new physics at high energies, neutrino interactions are more strongly constrained. The reason is that in this case they are accompanied by additional interactions involving charged leptons which are tested to greater precision. As an additional application of the framework, we show that sterile neutrinos are phenomenologically viable candidates for dark matter when identified as weakly interacting massive particles interacting through effective operators with Standard Model fermions of the third generation. As we show for three examples, explicit models generating these effective interactions can be distinguished by producing the mediator particles at the Large Hadron Collider.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Neutrinowechselwirkungen jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik im modellunabhängigen Formalismus der effektiven Feldtheorien. Hierbei werden allgemeine eich- und Lorentz-invariante Operatoren verwendet, die aus den Fundamentalteilchen des Standardmodells und hypothetischen sterilen Neutrinos zusammengesetzt werden können, wobei der Schwerpunkt auf Neutrinowechselwirkungen gelegt wird. Die Operatoren werden hierbei abhängig von der Energieskala konstruiert, entweder oberhalb oder unterhalb der elektroschwachen Skala. Weiterhin werden mögliche theoretische Ursprünge dieser Wechselwirkungen identifiziert, wobei Erweiterungen der Eichgruppe, Leptoquarks, sowie geladene und ungeladene Skalare betrachtet werden. Diese können anhand ihrer Auswirkungen in Neutrinoexperimenten und durch die Erzeugung der Teilchen, die die neue Wechselwirkung vermitteln, am Teilchenbeschleuniger getestet und eingeschränkt werden. In der Folge wird untersucht, wie verschiedene Experimente bei Energien unterhalb der elektroschwachen Skala die effektiven Neutrinowechselwirkungen einschränken. Hierbei werden insbesondere die Sensitivitäten der Experimente DUNE und KATRIN auf neue Wechselwirkungen, die die Neutrino-Elektron-Streuung beziehungsweise den Betazerfall von Tritium beeinflussen, evaluiert. Es wird aufgezeigt, wie die derzeitigen Schranken der Wechselwirkungsstärke davon abhängen, ob die neuen Wechselwirkungen von hohen Energieskalen ausgehen und in der Form von eichinvarianten Operatoren oberhalb der elektroschwachen Skala dargestellt werden können. Als eine zusätzliche Anwendung der vorgestellten effektiven Feldtheorie werden sterile Neutrinos mit einer Masse im Bereich von zehn bis einigen tausend Gigaelektronenvolt als mögliche Form der dunklen Materie diskutiert, wobei diese mittels effektiver Operatoren an die Standardmodell-Fermionen der dritten Generation gekoppelt sind. Es wird gezeigt, dass dieses Szenario konsistent mit der beobachteten Menge dunkler Materie im Universum und den Ergebnissen der Experimente zu ihrem direkten und indirekten Nachweis sind. Drei verschiedene Modelle, die die betrachteten Operatoren erzeugen können, werden vorgestellt. Ein wirkungsvoller Weg, diese zu unterscheiden, ist ihre Wechselwirkungsträger am Large Hadron Collider zu erzeugen und zu identifizieren.