Theoretical Studies of Particle and Astroparticle Physics beyond the Standard Model

The Swedish Research Council

The intention of this research project is to study neutrino physics, which is a branch of elementary particle physics with strong implications in astrophysics and cosmology. Theoretical studies of neutrino mixing and oscillations in both vacuum and matter with three flavors belong to the main investigations of this project. Neutrino oscillations are presently considered to be the most plausible description of neutrino flavor transitions. However, other possible scenarios exist such as non-standard interactions, neutrino decay, and neutrino decoherence, which will also be investigated. Nevertheless, neutrino oscillations cannot occur within the Standard Model (SM), which is the present theory for elementary particles and their interactions. Thus, in order to incorporate mixed and massive neutrinos, the SM has to be extended in some way to describe these phenomena. This directly implies physics beyond the SM. In addition, this research project includes investigations of extra dimensions, which also lead to physics beyond the SM and are closely related to neutrino physics, since they could affect neutrino oscillations. Large extra dimensions are especially interesting and yield a possible solution to the hierarchy problem in particle physics. If existing, they could be probed with the LHC at CERN that should become operative in 2008, but also astrophysics puts constraints on the models of large extra dimensions. Both neutrinos and extra dimensions could give rise to dark matter.

Researcher: Prof. Tommy Ohlsson

Swedish popular project desciprtion:

Neutriner - universums svårfångade partiklar: Neutrinofysiken är idag ett av de "hetaste" områdena inom fysiken och det specifika forskningsprojektet syftar till att öka kunskapen om detta område. En neutrino är en elementarpartikel som tillhör samma familj av partiklar som t.ex. elektronen. Dessa partiklar kallas leptoner och utgörs av elektroner, myoner, tauoner samt de tre tillhörande neutrinerna. Neutriner är elektriskt oladdade och växelverkar endast via den svaga växelverkan samt har mycket små massor. Neutriner produceras t.ex. i jorden, i solen, i atmosfären och i reaktioner vid acceleratorer och reaktorer. Bland annat är neutriner viktiga i processer som gör att solen skiner. Fram tills juni 1998 trodde man att de var masslösa, men resultat från Super-Kamiokande-experimentet i Japan visar att de troligtvis är massiva, vilket i sin tur innebär att oscillationer mellan de olika neutrinoaromerna kan förekomma. Att neutrinerna är massiva innebär vidare att den fysikaliska modell som beskriver elementarpartikelfysiken (den s.k. standardmodellen) måste modifieras för att även inkludera massiva neutriner. Både neutriners massor samt deras förmåga att oscillera betyder att man har belägg för fysik bortom standardmodellen. Neutrinooscillationsfenomenet uppkommer som en sorts "svävningar" mellan de olika aromtillstånden, liknande svävningarna mellan två närliggande toner inom musiken, men är ett genuint kvantummekaniskt interferensfenomen. Jag har arbetat med teoretiska modeller för neutrinooscillationer med tre aromer. Av speciellt intresse är så kallade materieintensifierade neutrinooscillationer, vilka är viktiga i studiet av i stort sett alla olika neutrinotyper. Dessa intensifieringseffekter uppkommer på grund av att några neutriner växelverkar med materien i solen och/eller jorden (dvs. med elektronerna i dessa himlakroppar) på vägen mellan källan och detektorn. Andra aspekter inom neutrinofysiken som jag tänker undersöka är astrofysikaliska problem. Neutriner är så kallad icke-baryonisk materia och skulle kunna utgöra en del av den så kallade "mörka materien" som finns i vårt universum. Vidare så bör neutrinerna ha spelat en väsentlig roll när universum skapades vid Big Bang. I framtiden är det också tänkt att man skall studera neutriner vid så kallade neutrinofabriker. Neutrinostrålarna från sådana fabriker kommer att vara mycket intensiva och energirika. Vanligtvis så går neutrinerna igenom det mesta och växelverkar endast ytterst sällan med annan materia (de sägs ha mycket litet tvärsnitt, vilket är relaterat till sannolikheten för att en växelverkan skall inträffa), men när man har att göra med väldigt intensiva strålar, så kommer sannolikheten för växelverkan att öka dramatiskt.

Extra dimensioner - universums "gömda" dimensioner: Under 1920-talet föreslog den tyske fysikern Theodor Kaluza och den svenske fysikern Oskar Klein att det skulle kunna finnas fler rumsdimensioner än de tre vi känner till. Eftersom dessa extra dimensioner inte har observerats, varken med blotta ögat eller med hjälp av avancerade experiment, så måste de vara mycket små. Man kan jämföra en värld med extra dimensioner med ett långsmalt sugrör. På kort avstånd ser sugröret ut som ett cylindriskt skal som har två olika riktningar, en på längden och en runt om, dvs. två dimensioner. På långt avstånd ser sugröret ut som en linje eller ett snöre med endast en riktning, längdriktningen. Denna riktning på sugröret skulle motsvara de vanliga rumsdimensionerna, medan riktningen runt om skulle motsvara de extra dimensionerna, som inte syns på långt avstånd. Om extra dimensioner skulle finnas, så skulle de kunna ge upphov till en mängd intressanta fenomen inom partikelfysiken. Till exempel leder de till så kallade Kaluza-Klein-partiklar, vilka skulle kunna utgöra den mörka materien (eller åtminstone en del av den). Jag har t.ex. studerat hur extra dimensioner skulle kunna påverka neutrinooscillationer och jag tänker undersöka flödet av neutriner, som skulle kunna skapas i annihilationer av Kaluza-Klein-partiklar i jorden och/eller solen. I allmänhet är det väsentligt att undersöka hur extra dimensioner skulle kunna upptäckas i experiment och faktum är att ett av huvudmålen med CERN:s nya partikelaccelerator LHC (Large Hadron Collider), vilken kommer att tas i bruk under år 2008, är att upptäcka extra dimensioner. Därför kommer tvärsnitt för partikelreaktioner vid LHC som är intressanta för extra dimensioner att studeras inom projektet.