German Title: Effekte des Quanten Vacuums in Teilchenphysik und Kosmologie

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Abstract

In this work we investigate numerous effects of virtual particles on processes relevant for particle physics and cosmology. A central question is, whether radiative spontaneous electroweak symmetry breaking can be combined with neutrino mass generation, we find that the answer is affirmative. We discuss the implication of the RSSB on the neutrino mass phenomenology and low-energy observables.

Furthermore, by comparing the models to experimental data we find that several anomalies in the present observations favour particular scenarios over the pure Standard Model hypothesis. We are able to show, that the presence of sterile neutrinos with active-sterile mixing of order $10^{-3}$ and masses in the TeV range leads to a reduced invisible decay width of the Z-boson and can bring the NuTeV observations in agreement with theoretical expectations.

The models we discuss naturally incorporate long lived particles which can serve as dark matter candidates and we investigate this phenomenologically. We find that the combination of the requirements leads to interesting constraints on the model and parameter space. We find that loop induced electromagnetic moments for the neutral dark matter candidates, lead to interactions with charged particles. We use this and derive new constraints from existing XENON100 and LUX data.

In addition we will study how vacuum effects can backreact on a given geometry in electromagnetism and semiclassical gravity. We find that in the case of gravity the conformal set up plays a special role and indicate several ideas for further investigation of this topic.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit untersuchen wir Effekte von virtuellen Teilchen auf für die Teilchenphysik und Kosmologie relevante Prozesse. Eine der zentralen Fragen ist, ob radiativ spontan gebrochene elektroschwache Symmetrie und die Erzeugung von Neutrinomassen kombiniert werden können. Dies ist in der Tat der Fall.

Wir Zeigen, dass eine ganze Reihe von Neutrino massen Modellen in diesem Kontext der radiativen Symmetry Brechung exestieren und die korrekte Phänomenolgie für die niederenergie Experimente lieferen. Darüber hinaus zeigen wir durch Vergleich der Modelle mit experimentellen Daten, dass Aufgrund von Anomalien in den vorliegenden Beobachtungen einige der Szenarien statsitisch dem reinen Standardmodell Fall vorzuziehen sind. Insbesondere bringen Modelle mit sterilen Neutrinos an der TeV Skala und einer aktiv-sterilen Mischung von c.a. $10^{-3}$ die unsichtbare Zerfallsbreite des Z-Bosons und die Ergebnisse des NuTeV Experiments in Übereinstimmung mit der Theorie.

Die Modelle, die wir diskutieren beinhalten auf natürliche Weise langlebige Teilchen, die als dunkle Materie Kandidaten dienen können und wir diskutieren die Phänomenologie dieser Möglichkeit. Wir finden, dass die Kombination der Anforderungen zu interessanten Einschränkungen des Modells- und das Parameterraums führt. Wir benutzen ein Schleifen Beiträge zu elektromagnetischen Momenten um neue Einschränkungen an die untersuchten Modelle zu setzten. Dazu verwenden wir XENON100 und LUX Grenzwerte.

Zusätzlich betrachten wir, wie Vakuumeffekte auf eine gegebene Geometrie zurückwirken können. Wir betrachten Elektromagnetismus und ein gravitierendes System. Wir finden, dass im Fall der Gravitation die konformen Felder eine besondere Rolle spielen und schlagen einige Ansätze für weitere Untersuchung zu diesem Thema vor.