Kurzfassung
Das Fehlen von Signalen in traditionellen Suchen nach dunkler Materie (DM) jenseits von Gravitations-Wechselwirkung bietet einen exzellenten Grund, schwach gekoppelte und leichte ``dunkle Sektoren'' (DS) zu untersuchen. Motivation, diese zu studieren, erhalten wir sowohl von theoretischer als auch von phänomenologischer Seite mit reichhaltiger Physik über viele Größenordnungen hinweg. Abhängig von der genauen Zusammensetzung des DS sind Signale an Teilchenbeschleunigern, in astrophysikalischen Suchen und in spezialisierten Experimenten zur direkten Detektion möglich, welche von traditionellen Suchen nach Rückstößen von Atomkernen stark abweichen. Desweiteren ermöglicht die geringe Masse dieser Teilchen ihre direkte Produktion im Labor ohne die Hilfe von den typischen Hochenergie-Beschleunigern, die notwendig sind, um schwerere Teilchen zu entdecken.
Diese Dissertation wird sich mit einer breiten Klasse an DS-Teilchen detailliert beschäftigen, nämlich mit den DS, die ein Dunkles Photon (DP) in ihrem Teilchen-Spektrum enthalten. Das DP ist ein wohlmotivierter Kandidat für neue Physik, da es als Mediator zwischen dem Standard Modell (SM) und dem DS dienen kann, aber es darüber hinaus auch an sich eine reichhaltige Phänomenologie bereithält. Diese reicht von den indirekten (``oblique'') Korrekturen zu elektroschwachen Präzisionsobservablen (EWPO) für hohe DP-Massen hin zum subtilen Einfluss auf den Elektromagnetismus (EM). Diese Dissertation wird eine Einleitung zur konventionellen Kopplung des DP zur vollen, elektroschwachen Theorie durch die sogenannte kinetische Mischung bieten. Wir werden desweiteren mögliche Verallgemeinerungen dieser Mischung diskutieren, d.h. durch die Masse des Z-Bosons oder durch den Stückelberg-Mechanismus. Wir werden zeigen, wie ein leichtes DP von den Observablen an Teilchenbeschleunigern entkoppelt und, dass die kinetische Mischung mit dem Elektromagnetismus als Niedrig-Energie-Theorie aus der Mischung mit dem Hyperladungs-Boson hervorgeht.
Diese Mischung mit dem Photon ermöglicht nicht-triviale Effekte des DP in einem Plasma aus SM-Teilchen. Wir werden diese bekannten Plasma-Effekte nutzen, um den Fluss an solaren DP zu berechnen, der aus dem Plasma an Elektronen in der Sonne hervorgeht. Im Gegensatz zum Großteil der Fachliteratur werden wir uns die Winkelverteilung des solaren Flusses der DP genauer ansehen und die Vorteile aufzeigen, die die Anwendung dieser zusätzlichen Information auf Helioskop-Suchen nach DP bietet. Auf Grundlage von Hinode XRT-Daten, einem Teleskop zur Beobachtung der solaren Röntgenstrahlung, zeigen wir, dass die Verstärkung der Sensitivität signifikant sein kann. Diese Beobachtung ist von Interesse im Kontext zukünftiger Helioskop-Experimente, was auch in kurzen Zügen im Rahmen dieser Dissertation diskutiert wird.
Der zweite Teil dieser Dissertation wird sich dann auf das Rätsel der dunklen Materie konzentrieren und dabei die mögliche Rolle des DP as DM-Kandidaten herausstellen. Nach einer kurzen Einführung in dieses Thema, werden wir die LISA Pathfinder (LPF) Mission als Experiment zur direkten Detektion von ultra-leichter DPDM indentifizieren. Im Stile eines ``No-go-Theorem'' zeigen wir, dass LPF nicht in der Lage ist, kinetisch gemischte DP zu detektieren. Dieses Ergebnis ist zu einem gewissen Grad universal und damit anwendbar auf andere Experimente. Dennoch demonstrieren wir, dass LPF ein interessantes Instrument ist, um ``verallgemeinerte DP'' zu untersuchen, d.h. DP die unter globalen Symmetrien des SM geeicht sind mit B-L als Beispiel. Wir zeigen auf, dass die Nebenkanäle von LPF ein mächtiges Werkzeug darstellen, ein Signal der dunklen Materie zu entdecken. Dabei betonen wir, warum diese Suche den Erwartungen nach besser als eine Suche mithilfe des Hauptkanals ist. Desweiteren wird diskutiert, wie man dieses Ergebnis in vertiefender Arbeit weiterführen kann.
The lack of signals in traditional dark matter (DM) searches beyond gravitational interactions provide an excellent reason to investigate weakly coupled and/or light dark sectors (DS). These receive motivation both from the theoretical and the phenomenological side with rich physics across many different scales. Depending on the exact composition of the DS the signals can show up at colliders, in astrophysical searches, and in specialised direct detection experiments, which differ significantly from traditional nuclear recoil searches. Furthermore, the low mass of these new particles opens up new opportunities for producing new physics in the lab beyond the typical high-energy accelerators required for detecting new heavy states. This thesis will focus specifically on a broad class of DSs, namely those containing a Dark Photon (DP) in the particle spectrum. The DP is a well-motivated candidate which can act as a mediator between the standard model (SM) and the DS but it is also known to provide a rich phenomenology by itself. This ranges from the oblique corrections to electroweak precision observables (EWPO) at high DP masses to the subtle impact of a light DP on electromagnetism (EM). This thesis will provide an introduction to the conventional coupling of the DP to the full electroweak theory via the so-called kinetic mixing. We will further discuss potential generalisations of this mixing, i.e. via the Z boson mass or the Stückelberg mechanism. We will show how a light DP decouples from observables at colliders and that the kinetic mixing to electromagnetism is the low-energy theory emerging from the mixing with the hypercharge boson. This mixing with the photon enables non-trivial effects of the DP in an SM plasma. We will use the well-known plasma effects to calculate the solar DP flux emerging from the plasma of solar electrons. In contrast to the majority of the literature, we will focus on the angular distribution of the solar DP flux and point out the advantage of applying this additional information to helioscope searches for DPs. Using data from Hinode XRT, a solar x-ray telescope, we demonstrate that the sensitivity boost can be significant. This observation is interesting in light of future helioscopes, which is briefly discussed in this thesis as well. The second part of this thesis will then be focussing on the dark matter puzzle and the potential role of the DP as a DM candidate. After providing a brief introduction to the topic, we consider the LISA Pathfinder (LPF) mission as a direct detection experiment for ultralight DPDM. In the spirit of a ``no-go theorem'', we provide reasons why the direct detection of kinetically mixed DPs using LPF is impossible. This result is also valid for other direct detection setups with only a few caveats. However, we demonstrate that LPF is an interesting instrument for investigating the signal of ``general DPs'', i.e. DPs gauged under global SM symmetries such as B-L. We point out that the auxiliary channels of LPF provide a powerful tool to look for the DM signal, emphasising why it is expected to be better than the main channel. In addition, potential follow-up projects are discussed.