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.

Setup of a Penning trap for precision laser spectroscopy at HITRAP

Ion traps have been established as a powerful tool for ion cooling and laser spectroscopy experiments since a long time ago. SpecTrap, one of the precision experiments associated to the HITRAP facility at GSI, is implementing a Penning trap for studies of large bunches of externally produced highly charged ions. The extremely strong electric and magnetic fields that exist around the nuclei of heavy elements drastically change their electronic properties, such as energy level spacings and radiative lifetimes. The electrons can therefore serve as sensitive probes for nuclear properties such as size, magnetic moment and spatial distribution of charge and magnetization. The energies of forbidden fine and hyperfine structure transitions in such ions strongly depend on the nuclear charge and shift from the microwave domain into the optical domain. Thus, they become accessible for laser spectroscopy and its potentially high accuracy. A number of such measurements has been performed in storage rings and electron beam ion traps and yielded results with relative accuracies in the 10

Präparation eines reinen metastabilen 7 Li +-Ionenstrahls für die Präzisionsspektroskopie im Speicherring

An dem Schwerionenspeicherring TSR (MPI für Kernphysik, Heidelberg) wurde ein 7 Li +-Ionenstrahl geringer Dichte durch RF-Bunchen und Laserkühlung präpariert.Die Phasenraumverteilung in dem Strahl wurde durch Laser- spektroskopie an Ionen im metastabilen Zustand untersucht. Ein umlaufsynchrones, zeitaufgelöstes Meßverfahren für das Fluoreszenzlicht ermöglichte die Bestimmung der räumlichen Struktur mit dieser rein optischen Methode.Durch einen speziellen Präparationsschritt wurden die Ionen im Grundzustand aus dem Speicherring entfernt. Der sonst dominierende Heizeffekt der strahlinternen Streuung war dadurch vernachlässigbar und es konnte eine Temperatur von 160 mK erreicht werden.Der präparierte Ionenstrahl bietet besondere Eigenschaften im Hinblick auf Präzisionsexperimente, bei denen mit möglichst ungestörten Ionen gearbeitet werden soll. Es wird gezeigt, daß die Phasenraumverteilung der Ionen nicht mehr durch Ion-Ion-Wechselwirkungen bestimmt ist und daß der verbleibende Heizmechanismus durch die Streuung am Restgas erklärt werden kann.1993 wurde durch Laserspektroskopie an 7 Li + im TSR die spezielle Relativitätstheorie im Hinblick auf die relativistische Zeitdilatation experimentell getestet. In diesem Zusammenhang wird das zu erwartende Ergebnis eines Experimentes diskutiert, das, basierend auf den in dieser Arbeit vorgestellten Verfahren, einen erneuten Test der relativistischen Zeitdilatation mit verbesserter Genauigkeit durchführen könnte.

Dispersion approach to real and virtual Compton scattering

In recent years, new precision experiments have become possible withthe high luminosity accelerator facilities at MAMIand JLab, supplyingphysicists with precision data sets for different hadronic reactions inthe intermediate energy region, such as pion photo- andelectroproduction and real and virtual Compton scattering.By means of the low energy theorem (LET), the global properties of thenucleon (its mass, charge, and magnetic moment) can be separated fromthe effects of the internal structure of the nucleon, which areeffectively described by polarizabilities. Thepolarizabilities quantify the deformation of the charge andmagnetization densities inside the nucleon in an applied quasistaticelectromagnetic field. The present work is dedicated to develop atool for theextraction of the polarizabilities from these precise Compton data withminimum model dependence, making use of the detailed knowledge of pionphotoproduction by means of dispersion relations (DR). Due to thepresence of t-channel poles, the dispersion integrals for two ofthe six Compton amplitudes diverge. Therefore, we have suggested to subtract the s-channel dispersion integrals at zero photon energy($nu=0$). The subtraction functions at $nu=0$ are calculated through DRin the momentum transfer t at fixed $nu=0$, subtracted at t=0. For this calculation, we use the information about the t-channel process, $gammagammatopipito Nbar{N}$. In this way, four of thepolarizabilities can be predicted using the unsubtracted DR in the $s$-channel. The other two, $alpha-beta$ and $gamma_pi$, are free parameters in ourformalism and can be obtained from a fit to the Compton data.We present the results for unpolarized and polarized RCS observables,%in the kinematics of the most recent experiments, and indicate anenhanced sensitivity to the nucleon polarizabilities in theenergy range between pion production threshold and the $Delta(1232)$-resonance.newlineindentFurthermore,we extend the DR formalism to virtual Compton scattering (radiativeelectron scattering off the nucleon), in which the concept of thepolarizabilities is generalized to the case of avirtual initial photon by introducing six generalizedpolarizabilities (GPs). Our formalism provides predictions for the fourspin GPs, while the two scalar GPs $alpha(Q^2)$ and $beta(Q^2)$ have to befitted to the experimental data at each value of $Q^2$.We show that at energies betweenpion threshold and the $Delta(1232)$-resonance position, thesensitivity to the GPs can be increased significantly, as compared tolow energies, where the LEX is applicable. Our DR formalism can be used for analysing VCS experiments over a widerange of energy and virtuality $Q^2$, which allows one to extract theGPs from VCS data in different kinematics with a minimum of model dependence.

Hunting for warped extra dimensions via loop-induced processes

This thesis is on loop-induced processes in theories with warped extra dimensions where the fermions and gauge bosons are allowed to propagate in the bulk, while the Higgs sector is localized on or near the infra-red brane. These so-called Randall-Sundrum (RS) models have the potential to simultaneously explain the hierarchy problem and address the question of what causes the large hierarchies in the fermion sector of the Standard Model (SM). The Kaluza-Klein (KK) excitations of the bulk fields can significantly affect the loop-level processes considered in this thesis and, hence, could indirectly indicate the existence of warped extra dimensions. The analytical part of this thesis deals with the detailed calculation of three loop-induced processes in the RS models in question: the Higgs production process via gluon fusion, the Higgs decay into two photons, and the flavor-changing neutral current b → sγ. A comprehensive, five-dimensional (5D) analysis will show that the amplitudes of the Higgs processes can be expressed in terms of integrals over 5D propagators with the Higgs-boson profile along the extra dimension, which can be used for arbitrary models with a compact extra dimension. To this end, both the boson and fermion propagators in a warped 5D background are derived. It will be shown that the seemingly contradictory results for the gluon fusion amplitude in the literature can be traced back to two distinguishable, not smoothly-connected incarnations of the RS model. The investigation of the b → sγ transition is performed in the KK decomposed theory. It will be argued that summing up the entire KK tower leads to a finite result, which can be well approximated by a closed, analytical expression.rnIn the phenomenological part of this thesis, the analytic results of all relevant Higgs couplings in the RS models in question are compared with current and in particular future sensitivities of the Large Hadron Collider (LHC) and the planned International Linear Collider. The latest LHC Higgs data is then used to exclude significant portions of the parameter space of each RS scenario. The analysis will demonstrate that especially the loop-induced Higgs couplings are sensitive to KK particles of the custodial RS model with masses in the multi tera-electronvolt range. Finally, the effect of the RS model on three flavor observables associated with the b → sγ transition are examined. In particular, we study the branching ratio of the inclusive decay B → X_s γ

An accurate combined 3 He,Cs magnetometer with fT sensitivity for the nEDM experiment at PSI

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung, Konstruktion und Untersuchung eines Magnetometers zur exakten und präzisen Messung schwacher Magnetfelder. Diese Art von Magnetometer eignet sich zur Anwendung in physikalischen hochpräzisions Experimenten wie zum Beispiel der Suche nach dem elektrischen Dipolmomentrndes Neutrons. Die Messmethode beruht auf der gleichzeitigen Detektion der freien Spin Präzession Kern-Spin polarisierten 3He Gases durch mehrere optisch gepumpte Cäsium Magnetometer. Es wird gezeigt, dass Cäsium Magnetometer eine zuverlässige und vielseitige Methode zur Messung der 3He Larmor Frequenz und eine komfortable Alternative zur Benutzung von SQUIDs für diesen Zweck darstellen. Ein Prototyp dieses Magnetometers wurde gebaut und seine Funktion in der magnetisch abgeschirmten Messkabine der Physikalisch Technischen Bundesanstalt untersucht. Die Sensitivität des Magnetometers in Abhängigkeitrnvon der Messdauer wurde experimentell untersucht. Es wird gezeigt, dass für kurze Messperioden (< 500s) Cramér-Rao limitierte Messungen möglich sind während die Sensitivität bei längeren Messungen durch die Stabilität des angelegten Magnetfeldes limitiert ist. Messungen eines 1 muT Magnetfeldes mit einer relative Genauigkeit von besser als 5x10^(-8) in 100s werden präsentiert. Es wird gezeigt, dass die Messgenauigkeit des Magnetometers durch die Zahl der zur Detektion der 3He Spin Präzession eingesetzten Cäsium Magnetometer skaliert werden kann. Prinzipiell ist dadurch eine Anpassung der Messgenauigkeit an jegliche experimentellen Bedürfnisse möglich. Es wird eine gradiometrische Messmethode vorgestellt, die es erlaubt den Einfluss periodischerrnmagnetischer Störungen auf dieMessung zu unterdrücken. Der Zusammenhang zwischen der Sensitivität des kombinierten Magnetometers und den Betriebsparametern der Cäsium Magnetometer die zur Spin Detektion verwendet werden wird theoretisch untersucht und anwendungsspezifische Vor- und Nachteile verschiedener Betriebsartenwerden diskutiert. Diese Zusammenhänge werden in einer Formel zusammengefasst die es erlaubt, die erwartete Sensitivität des Magnetometers zu berechnen. Diese Vorhersagen befinden sich in perfekter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Die intrinsische Sensitivität des Magnetometer Prototyps wird auf Basis dieser Formel theoretisch bestimmt. Ausserdem wird die erwartete Sensitivität für die Anwendung im Rahmen des Experiments der nächsten Generation zur Bestimmung des elektrischenrnDipolmoments des Neutrons am Paul Scherrer Institut abgeschätzt. Des weiteren wird eine bequeme experimentelle Methode zur Messung des Polarisationsgrades und des Rabi Flip-Winkels der 3He Kernspin Polarisation vorgestellt. Letztere Messung ist sehr wichtig für die Anwendung in hochpräzisions Experimenten.

Development of an experiment for ultrahigh-precision g-factor

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Aufbau eines Experiments zur hochpräzisen Bestimmung des g-Faktors gebundener Elektronen in hochgeladenen Ionen. Der g-Faktor eines Teilchens ist eine dimensionslose Konstante, die die Stärke der Wechselwirkung mit einem magnetischen Feld beschreibt. Im Falle eines an ein hochgeladenes Ion gebundenen Elektrons, dient es als einer der genausten Tests der Quantenelektrodynamik gebundener Zustande (BS-QED). Die Messung wird in einem dreifach Penning-Fallen System durchgeführt und basiert auf dem kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekt. Der erste Teil dieser Arbeit gibt den aktuellen Wissensstand über magnetische Momente wieder. Der hier gewählte experimentelle Aufbau wird begründet. Anschließend werden die experimentellen Anforderungen und die verwendeten Messtechniken erläutert. Das Ladungsbrüten der Ionen - einer der wichtigsten Aufgaben dieser Arbeit - ist dargestellt. Seine Realisierung basiert auf einer Feld-Emissions-Spitzen-Anordnung, die die Messung des Wirkungsquerschnitts für Elektronenstoßionisation ermöglicht. Der letzte Teil der Arbeit widmet sich der Entwicklung und dem Aufbau des Penning-Fallen Systems, sowie der Implementierung des Nachweisprozesses. Gegenwärtig ist der Aufbau zur Erzeugung hochgeladener Ionen und der dazugehörigen Messung des g-Faktors abgeschlossen, einschließlich des Steuerprogramms für die erste Datennahme. Die Ionenerzeugung und das Ladungsbrüten werden die nächsten Schritte sein.