German Title: Verbindungen zwischen QCD Axion Modellen und ihrer Phänomenologie bei niedriger Energie

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Abstract

The QCD axion is a well-motivated hypothetical particle beyond the Standard Model of particle physics. It can solve the strong CP problem and account for dark matter in the universe. An axion is a pseudo-Goldstone boson of a spontaneously broken global U(1) symmetry with a chiral anomaly in the strong sector. Such a minimal construction allows for a large number of alternative realisations with similar phenomenology. In this thesis, links between the underlying high-energy physics of axion models and the resulting observable phenomena at low energy are investigated. First, the property of periodicity along with its realisation and consequences at lower energies are studied. Subsequently, the usual leading logarithm approximation for the calculation of loop-induced flavour-changing effects is critically examined. A new model is developed that leads to large logarithmic enhancements and is valid up to the scale of spontaneous symmetry breaking. The phenomenology of this model in future searches for solar axions and at colliders is discussed. Finally, the spectrum of solar axions is evaluated, improving on the previous calculation and systematically quantifying the associated uncertainties for the first time. This could enable the distinction of axion models as well as the measurement of unknown solar quantities with the upcoming helioscope IAXO. It is also shown that this experiment is sensitive to a singular line in the spectrum originating from axion-nucleon interactions.

Translation of abstract (German)

Das QCD Axion ist ein gut motiviertes hypothetisches Teilchen jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik. Es kann das starke CP-Problem lösen und die dunkle Materie im Universum ausmachen. Ein Axion ist ein Pseudo-Goldstone-Boson einer spontan gebrochenen globalen U(1)-Symmetrie mit einer chiralen Anomalie im starken Sektor. Eine solche minimale Konstruktion ermöglicht eine große Anzahl von alternativen Realisierungen mit ähnlicher Phänomenologie. In dieser Arbeit werden Zusammenhänge zwischen der zugrundeliegenden Hochenergiephysik von Axionmodellen und den daraus resultierenden beobachtbaren Phänomenen bei niedriger Energie untersucht. Dies beginnt bei der Eigenschaft der Periodizität sowie deren Realisierung und Konsequenzen bei kleineren Energien. Anschließend wird die übliche Näherung des führenden Logarithmus für die Berechnung von schleifeninduzierten und flavour-verändernden Effekten kritisch untersucht. Es wird ein neues Modell entwickelt, das zu großen logarithmischen Verstärkungen führt und bis zur Skala der spontanen Symmetriebrechung gültig ist. Die Phänomenologie dieses Modells an Teilchenbeschleunigern und bei zukünftigen Suchen nach solaren Axionen wird diskutiert. Schließlich wird das Spektrum der solaren Axionen bestimmt, wobei die bisherige Berechnung verbessert und die damit verbundenen Unsicherheiten erstmals systematisch quantifiziert werden. Dies könnte die Unterscheidung von Axionmodellen sowie die Messung unbekannter solarer Größen mit dem kommenden Helioskop IAXO ermöglichen. Es wird auch gezeigt, dass dieses Experiment für eine singuläre Linie im Spektrum empfindlich ist, die von Axion-Nukleon-Wechselwirkungen herrührt.