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Axions, Strings, and Dark-Matter Cosmology

Klaer, Vincent Benedikt (2019):
Axions, Strings, and Dark-Matter Cosmology.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Axions, Strings, and Dark-Matter Cosmology
Language: English
Abstract:

The existence of dark matter is one of the unsolved fundamental problems of physics and cannot be explained by established theories such as general relativity or the standard model of particle physics. However, an extension of Quantum Chromodynamics (QCD), a part of the Standard Model, can explain dark matter. It is known that QCD is invariant under charge and parity symmetry (CP symmetry), the violation of symmetry is quantified by the parameter theta. The invariance of the QCD under CP transformations is not explicitly required, but only implicitly fulfilled by a very small theta parameter. This seemingly arbitrary conservation of CP symmetry is known as the strong CP problem. A promising solution to this problem was presented by Peccei and Quinn, who consider the $\theta$ parameter not as a constant, but as a dynamical field. This requires a new particle that is extremely light and hardly interacts with the matter we know, as it is expected for dark matter. Therefore, this new particle, called axion, potentially solves two problems; the strong CP problem and the origin of dark matter. To date, however, it was not possible to detect this hypothetical particle experimentally, which is, if the particle exist, because of its very weak interaction and therefore very complex experimental set-ups are required for a successful measurement. In addition, there are only a few precise theoretical predictions for the mass of the axion. In this thesis we present a new method to determine the axion mass. This method is able to correctly describe the responsible production mechanisms for the first time and thus predict a precise value of the axion mass by lattice simulations. The challenge lies in the correct description of the production mechanisms, more precisely in the simulation of the correct string tension. Moreover we also present new methods for the microscopic investigation of the string dynamics themselves, with which theoretical equations of motion can be simulated and compared for the first time. This also provides information about the reliability of string simulations in general.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Existenz dunkler Materie ist eines der ungelösten fundamentalen Probleme der Physik und kann nicht durch etablierte Theorien, wie die Allgemeine Relativitätstheorie oder das Standardmodell der Teilchenphysik, erklärt werden. Allerdings kann eine Erweiterung der Quantenchromodynamik (QCD), ein Teil des Standardmodells, eine Erklärung für dunkle Materie liefern. Es ist bekannt, dass die QCD invariant unter Ladungs- und Paritätssymmetrie (CP-Symmetrie) ist, wobei die Verletzung der Symmetrie durch den Parameter theta quantifiziert wird. Die Invarianz der QCD unter CP-Transformation ist nicht explizit gefordert, sondern nur implizit durch den verschwindenden theta-Parameter erfüllt. Diese willkürlich erscheinende Erhaltung der CP-Symmetrie ist als das starke CP-Problem bekannt. Eine mögliche Lösung zu diesem Problem wurde von Peccei und Quinn vorgestellt, die den $\theta$-Parameter nicht als Konstante, sondern als dynamisches Feld betrachten. Dies erfordert ein neues Teilchen, welches extrem leicht ist und kaum mit der uns bekannten Materie wechselwirkt, so wie es auch von dunkler Materie erwartet wird. Dieses neue Teilchen mit dem Namen Axion löst somit potentiell zwei Probleme: das starke CP-Problem sowie den Ursprung dunkler Materie. Bis heute ist es allerdings nicht gelungen, dieses hypothetische Teilchen experimentell nachzuweisen. Das liegt mitunter daran, dass es nur sehr schwach wechselwirkt und somit sehr komplexe experimentelle Aufbauten für eine erfolgreiche Messung benötigt werden. Zusätzlich existieren nur wenige präzise theoretische Vorhersagen für die Masse des Axions, was die Suche erschwert. In dieser Arbeit stellen wir eine neue Methode zur Bestimmung der Axionmasse vor. Diese ist erstmals in der Lage die verantwortlichen Produktionsmechanismen korrekt zu beschreiben und einen präzisen Wert der Axionmasse durch Gittersimulationen vorherzusagen. Die Herausforderung liegt in der korrekten Beschreibung der Produktionsmechanismen, genauer in der Simulation der korrekten String-Spannung. Zusätzlich werden neue Methoden zur mikroskopischen Untersuchung der String-Dynamik selbst vorgestellt, mit der zum ersten Mal theoretische Bewegungsgleichungen simuliert und verglichen werden können. Dies gibt ebenfalls Aufschluss über die Zuverlässigkeit der String-Simulation im Allgemeinen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik > Quanten-Chromo-Dynamic
Date Deposited: 28 Nov 2019 08:53
Last Modified: 28 Nov 2019 08:53
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-94579
Referees: Moore, Prof. Ph.D Guy David and Galatyuk, Prof. Dr. Tetyana
Refereed: 18 November 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9457
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