Theoretical analysis of hidden photon searches in high-precision experiments

Although the Standard Model of particle physics (SM) provides an extremely successful description of the ordinary matter, one knows from astronomical observations that it accounts only for around 5% of the total energy density of the Universe, whereas around 30% are contributed by the dark matter. Motivated by anomalies in cosmic ray observations and by attempts to solve questions of the SM like the (g-2)_mu discrepancy, proposed U(1) extensions of the SM gauge group have raised attention in recent years. In the considered U(1) extensions a new, light messenger particle, the hidden photon, couples to the hidden sector as well as to the electromagnetic current of the SM by kinetic mixing. This allows for a search for this particle in laboratory experiments exploring the electromagnetic interaction. Various experimental programs have been started to search for hidden photons, such as in electron-scattering experiments, which are a versatile tool to explore various physics phenomena. One approach is the dedicated search in fixed-target experiments at modest energies as performed at MAMI or at JLAB. In these experiments the scattering of an electron beam off a hadronic target e+(A,Z)->e+(A,Z)+l^+l^- is investigated and a search for a very narrow resonance in the invariant mass distribution of the lepton pair is performed. This requires an accurate understanding of the theoretical basis of the underlying processes. For this purpose it is demonstrated in the first part of this work, in which way the hidden photon can be motivated from existing puzzles encountered at the precision frontier of the SM. The main part of this thesis deals with the analysis of the theoretical framework for electron scattering fixed-target experiments searching for hidden photons. As a first step, the cross section for the bremsstrahlung emission of hidden photons in such experiments is studied. Based on these results, the applicability of the Weizsäcker-Williams approximation to calculate the signal cross section of the process, which is widely used to design such experimental setups, is investigated. In a next step, the reaction e+(A,Z)->e+(A,Z)+l^+l^- is analyzed as signal and background process in order to describe existing data obtained by the A1 experiment at MAMI with the aim to give accurate predictions of exclusion limits for the hidden photon parameter space. Finally, the derived methods are used to find predictions for future experiments, e.g., at MESA or at JLAB, allowing for a comprehensive study of the discovery potential of the complementary experiments. In the last part, a feasibility study for probing the hidden photon model by rare kaon decays is performed. For this purpose, invisible as well as visible decays of the hidden photon are considered within different classes of models. This allows one to find bounds for the parameter space from existing data and to estimate the reach of future experiments.

Auch wenn das Standardmodell der Elementarteilchenphysik eine äußerst erfolgreiche Beschreibung der gewöhnlichen Materie liefert, ist aus astronomischen Beobachtungen bekannt, dass diese nur für 5% der Gesamtenergiedichte unseres Universums verantwortlich ist, wohingegen der Anteil dunkler Materie bei 30% liegt. Motiviert durch Anomalien in der Beobachtung kosmischer Strahlung und durch Ansätze ungeklärte Fragen des Standardmodells wie die (g-2)_mu-Diskrepanz zu klären, sind in letzter Zeit lange vorgeschlagene U(1)-Erweiterungen der Eichgruppe des Standardmodells in den Fokus gerückt. In diesen U(1)-Erweiterungen koppelt ein neues, leichtes Austauschteilchen, das Hidden Photon, sowohl an den elektromagnetischen Strom des Standardmodells als auch an den Sektor der dunklen Materie, was die Suche nach diesem Teilchen in Laborexperimenten, welche die elektromagnetische Wechselwirkung erforschen, ermöglicht. Aus diesem Grund wurden verschiedene experimentelle Programme zur Suche nach diesen Bosonen gestartet, wie z.B. Elektronen-Streu-Experimente, die als vielseitiges Hilfsmittel zur Erforschung verschiedenster Phänomene dienen. Ein Ansatz ist dabei die Suche an dedizierten Fixed-Target-Experimenten im Bereich niedriger Energien, wie sie z.B. an MAMI oder am JLAB durchgeführt werden. Bei diesen Experimenten wird die Streuung eines Elektronenstrahls an einem hadronischen Target, d.h. die Reaktion e+(A,Z)->e+(A,Z)+l^+l^-, untersucht, wodurch eine Suche nach einer sehr schmalen Resonanz in der Invarianten-Masse-Verteilung des Leptonpaares ermöglicht wird. Notwendige Voraussetzung hierfür ist ein präzises Verständnis der theoretischen Basis des zugrundeliegenden Prozesses, was eine umfassende Studie des Potenzials dieser komplementären Experimente erlaubt. Im ersten Teil dieser Arbeit wird zu diesem Zweck aufgezeigt, wie sich das Hidden Photon aus existierenden Fragestellungen, auf die man z.B. durch Präzisionsuntersuchungen des Standardmodells trifft, motivieren lässt. Der Hauptteil dieser Dissertation befasst sich daher mit der Analyse des theoretischen Rahmens, der für solche Elektronen-Streu-Experimente zur Suche nach Hidden Photons nötig ist. Als erster Schritt wird dazu der Bremsstrahlungs-Wirkungsquerschnitt eines Hidden Photons an solchen Experimenten untersucht. Basierend darauf wird die Anwendbarkeit der Weizsäcker-Williams-Näherung zur Berechnung des Signal-Wirkungsquerschnitts, die für gewöhnlich zum Design solcher Experimente verwendet wird, überprüft. Ein nächster Schritt widmet sich der theoretischen Studie der Reaktion e+(A,Z)->e+(A,Z)+l^+l^-, welche sowohl als Signal- als auch Untergrundprozess dient, um damit die vom A1-Experiment an MAMI genommenen Daten zu beschreiben und präzise Vorhersagen für Ausschlussgrenzen des Parameterbereichs zu geben. Schließlich werden die abgeleiteten Methoden verwendet um Vorhersagen für zukünftige Experimente, wie sie an MESA und am JLAB geplant sind, zu erhalten. Im letzten Teil wird eine Machbarkeitsstudie zur Erforschung des Hidden Photon-Modells unter Verwendung seltener Kaonzerfälle durchführt. Zu diesem Zweck werden sowohl unsichtbare als auch sichtbare Zerfälle in verschiedenen Modellen betrachtet, wodurch Grenzen für den Parameterbereich aus existierenden Daten abgeleitet und Abschätzungen für die Reichweite der zukünftigen Experimente gefunden werden können.