Phenomenology of the QCD <em>Θ</em>-angle and axions in nuclear and particle physics

Abstract

This thesis is a collection of studies concerned with the phenomenology of the &#920;-angle of quantum chromodynamics (QCD) at values 0 &#60; &#920; &#60; &#960;, and of the axion in nuclear and particle physics. In the first part, the consequences of a non-vanishing &#920;-angle for nuclear physics are determined with respect to the nucleon masses, the binding energies of light nuclei, and the process of nucleosynthesis. In the second part, the interaction of axions with photons and baryons is examined making use of chiral perturbation theory, the low-energy effective field theory of the strong interaction part of the Standard Model. Finally, these insights are used to determine the cross section of pion axioproduction with contributions from the &#916; resonance. All these studies hence are related to a flaw of the Standard Model of Particle Physics known in the literature as the “strong CP problem”. In particular, the latter studies are contributions to the search of axions.

Diese Dissertation ist eine Sammlung von Studien, welche sich mit der Phänomenologie des &#920;-Winkels der Quantenchromodynamik (QCD) im Wertebereich 0 &#60; &#920; &#60; &#960;, sowie des Axions in der Kern- und Teilchenphysik befassen. Im ersten Teil werden die Auswirkungen eines von Null verschiedenen &#920;-Winkels auf die Nukleonmassen, die Bindungsenergien leichter Kerne und den Prozess der Nukleosynthese erforscht. In den darauf folgenden Studien werden die Wechselwirkungen des Axions mit Photonen und Baryonen mit den Mitteln der Chiralen Störungstheorie – der effektiven Feldtheorie der starken Wechselwirkung im Niedrigenergiebereich – untersucht. Die Ergebnisse werden schließlich verwendet, um den Wirkungsquerschnitt der Pionerzeugung durch Axion-Nukleon-Wechselwirkung mit Beiträgen der &#916;-Resonanz zu bestimmen. All diese Studien stehen somit im Zusammenhang mit dem als “Strong CP Problem” bekannten Makel des Standardmodells der Teilchenphysik, wobei insbesondere die letztgenannten Studien auch Beiträge zur Axionsuche darstellen.