University, Diss., 2003--München.

Chemnitz, Techn. University, Diss., 2004.

Techn. University, Diss., 2002--Berlin.

University, Diss., 2004--Bonn.

University, Diss., 2005--Bonn.

Konstanz, Univ., Diss., 2008.

Seit der Popularisierung durch Randall/Sundrum (RS) vor etwa 10 Jahren, und insbesondere in Verbindung mit der $AdS/CFT$-Korrespondenz, ist der Einsatz von gekrümmten Raumzeithintergründen mit Extradimensionen (insb. des $AdS_5$) eine der fruchtbarsten neuen Ideen bei der Suche nach Modellen jenseits des Standardmodells (SM). Dieser Ansatz brachte nicht nur frische Einsichten in die Physik stark wechselwirkender Feldtheorien, die zuvor störungstheoretischen Methoden verschlossen waren, sondern schaffte auch einen faszinierenden neuen Zusammenhang zwischen phänomenologi-schen Modellen an der TeV-Skala und der Gravitation. Dies hat unter anderem auch das Interesse an Modellen der elektroschwachen Symmetriebrechung ohne physikalische Skalarfelder (Higgslose Modelle'') in diesem Kontext mit dem Ziel neu aufleben lassen, Alternativen zu dem im Standardmodell der Teilchenphysik enthaltenen Higgs-Mechanismus zu finden. Bei der Umsetzung dieser Ideen lag das Hauptaugenmerk meisst auf potentiellen neuen Beträgen zu elektroschwachen Präzisionsobservablen. Gleichzeitig gibt es jedoch sehr starke astrophysikalische Indizien dafür dass die Antwort auf die Frage nach dem Ursprung der beobachteten Dunkelmaterie in Teilchenmodellen jenseits des Standardmodells zu finden ist. Die Natur der elektroschwachen Symmetriebrechung und der Dunkelmaterie gehören zu den zentralen Fragen deren Beantwortung dank aktueller und anstehender Experimente z.B. an Beschleunigern wie dem Tevatron wie auch in naher Zukunft am LHC in greifbare Nähe rückt. Diese Situation legt nahe dass neue Szenarien jenseits des Standardmodells beide Fragestellungen gleicherma\ss en thematisieren sollten. In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir die phänomenologischen Implikationen einer Erweiterung Higgsloser Modelle in 5D um Supersymmetrie mit erhaltener R-Parität im elektroschwachen Symmetriebrechungssektor. Das Ziel war, eine möglichst einfache Erweiterung zu finden, die ein realistisches leichtes Spektrum aufweist und gleichzeitig einen guten Kandidaten für kalte Dunkelmaterie enthält, ohne zu viele freie Parameter einzuführen. Um dies zu bewerkstelligen, bot sich der gleiche Mechanismus an, der bereits für die Brechung der Eichsymmetrien zum Einsatz kommt, nämlich die Brechung durch Randbedingungen. Während Supersymmetrie in 5D vier Superladungen beinhaltet und somit eng mit $\mathcal{N}=2$ Supersymmetrie in 4D verwandt ist, wird allein durch den RS-Hintergrund die Hälfte der Symmetrien gebrochen, so dass nach der Kaluza-Klein-Reduktion lediglich eine erhaltene Supersymmetrie verbleibt. Davon ausgehend war das einfachste gangbare Szenario, die Brechung der verbleibenden Generatoren effektiv durch Randbedingungen auf der UV-Brane der RS-Raumzeit zu beschreiben. Obwohl hierdurch Teile des leichten SUSY-Spektrums, insb. die Superpartner der Fermionen, ausprojeziert werden, verbleibt die reichhaltige Phänomenologie von vollständigen $\mathcal{N}=2$-Multiplets im Kaluza-Klein-Sektor. Das leichte erweiterte Spektrum besteht aus den Superpartnern der elektroschwachen Eichbosonen, die Massen um $\mathcal{O}(100\mbox{ GeV})$ erhalten. Die Neutralinos als Masseneigenzustände des neutralen Bino-Wino-Sektors sind automatisch die leichtesten Supersymmetrischen Teilchen (LSP) und damit natürliche Kandidaten für kalte Dunkelmaterie. Ihre Reliktdichte kann ohne exzessive Feineinstellung von Parametern in Einklang mit Beobachtungen gebracht werden. Das Modell sagt somit eine leichte NLSP-Masse im Bereich $m_{\chi^+}\approx 100\dots 110$ GeV und einen LSP bei etwa $m_\chi\approx 90$ GeV voraus. Am LHC hat der nicht-supersymmetrische Teilcheninhalt des Modells weitestgehend die gleichen phänomenologischen Konsequenzen wie sie bereits von Studien Higgsloser Modelle bekannt sind. Wir haben uns daher auf die Produktion des LSP und NLSP am LHC als typische Signatur des erweiterten Modells konzentriert, und insbesondere Monte-Carlo-Simulationen mit \nameomega/\namewhizard~zur Beobachtung von fehlender transversaler Energie ($\ptmiss$) in Assoziation mit schweren Quarks durchgeführt. Wir diskutieren geeignete Schnitte auf Winkel, invariante Massen und Impulse, und erhalten Hadronische Produktionsquerschnitte von $\sigma>100\mbox{ fb}$ bei $14\mbox{ TeV}$, die charakteristische $\ptmiss$-Verteilungen im $\chi\chi t\overline{t}$ Endzustand aufweisen. Der Nachweis über die Produktion von $b$-Paaren erweist sich als schwieriger. Unsere Ergebnisse legen nahe dass die Entdeckung dieses Typs von Dunkelmaterie in Higgslosen Modellen am LHC über fehlende transversale Energie mit wenigen fb$^{-1}$ bei 14 TeV möglich ist, insofern eine zuverlässige Identifikation schwerer Quarks gegeben ist. / Since its popularization due to Randall and Sundrum (RS) one decade ago, and in connection with the $AdS/CFT$ correspondence in particular, 5D warped background spacetime has been one of the most fruitful new ideas in physics beyond the standard model (SM), leading to new insights into symmetry breaking and the properties of strongly interacting theories inaccessible to direct perturbative calculations, while at the same time relating gravity to phenomenological model building. This has, among others, led to a renewed interest in models of electroweak symmetry breaking without physical scalar fields in the guise of so-called 'warped higgsless' models, which could provide an alternative to the famed Higgs mechanism of electroweak symmetry breaking which is part of the Standard Model of particle physics. However, little emphasis was put on reconciling these models with the strong evidence from astrophysical observations that one or several new, as yet unknown, stable particle species exist which form the cold dark matter content of the universe. The nature of dark matter and electroweak symmetry breaking are among the most prominent puzzles subject to experimental scrutiny at the Tevatron, direct search experiments, and in the near future at the LHC, which compels us the believe that both issues should be addressed together in any alternative scenario beyond the Standard Model. In this thesis we have investigated phenomenological implications which arise for cosmology and collider physics when the electroweak symmetry breaking sector of warped higgsless models is extended to include warped supersymmetry with conserved $R$ parity. The goal was to find the simplest supersymmetric extension of these models which still has a realistic light spectrum including a viable dark matter candidate. To accomplish this, we have used the same mechanism which is already at work for symmetry breaking in the electroweak sector to break supersymmetry as well, namely symmetry breaking by boundary conditions. While supersymmetry in five dimensions contains four supercharges and is therefore directly related to 4D $\mathcal{N}=2$ supersymmetry, half of them are broken by the background leaving us with ordinary $\mathcal{N}=1$ theory in the massless sector after Kaluza-Klein expansion. We thus use boundary conditions to model the effects of a breaking mechanism for the remaining two supercharges. The simplest viable scenario to investigate is a supersymmetric bulk and IR brane without supersymmetry on the UV brane. Even though parts of the light spectrum are effectively projected out by this mechanism, we retain the rich phenomenology of complete $\mathcal{N}=2$ supermultiplets in the Kaluza-Klein sector. While the light supersymmetric spectrum consists of electroweak gauginos which get their $\mathcal{O}(100\mbox{ GeV})$ masses from IR brane electroweak symmetry breaking, the light gluinos and squarks are projected out on the UV brane. The neutralinos, as mass eigenstates of the neutral bino-wino sector, are automatically the lightest gauginos, making them LSP dark matter candidates with a relic density that can be brought to agreement with WMAP measurements without extensive tuning of parameters. For chargino masses close to the experimental lower bounds at around $m_{\chi^+}\approx 100\dots 110$ GeV, the dark matter relic density points to LSP masses of around $m_\chi\approx 90$ GeV. At the LHC, the standard particle content of our model shares most of the key features of known warped higgsless models. We have performed Monte Carlo simulations of warped higgsless LSP and NLSP production at a benchmark point using \nameomega/\namewhizard, concentrating on $\ptmiss$ in association with third generation quarks. After background reduction cuts on the quark momenta and angles, we get hadronic cross sections of $\sigma>100\mbox{ fb}$ at $14\mbox{ TeV}$ with characteristic $\ptmiss$ distributions for $\chi\chi t\overline{t}$ final states, while the final states with $b\overline{b}$ pairs have much lower event rates and shapes which are hard to discern in experiments. Our results suggest that the discovery of warped higgsless LSP dark matter at the LHC via missing energy is within reach for the first few $\mbox{ fb}^{-1}$ at $14$ TeV if $b$ and in particular $t$ identification is reliable.

The standard model (SM) of particle physics is for the last three decades a very successful description of the properties and interactions of all known elementary particles. Currently, it is again probed with the first collisions at the Large Hadron Collider (LHC). It is widely expected that new physics will be detected at the LHC and the SM has to be extended. The most exhaustive analyzed extension of the SM is supersymmetry (SUSY). SUSY can not only solve intrinsic problems of the SM like the hierarchy problem, but it also postulates new particles which might explain the nature of dark matter in the universe. The majority of all studies about dark matter in the framework of SUSY has focused on the minimal supersymmetric standard model (MSSM). The aim of this work is to consider scenarios beyond that scope. We consider two models which explain not only dark matter but also neutrino masses: the gravitino as dark matter in gauge mediated SUSY breaking (GMSB) with bilinear broken $R$-parity as well as different seesaw scenarios with the neutralino as dark matter candidate. Furthermore, we also study the next-to-minimal supersymmetric standard model (NMSSM) which solves the \(\mu\)-problem of the MSSM and discuss the properties of the neutralino as dark matter candidate. In case of $R$-parity violation, light gravitinos are often the only remaining candidate for dark matter in SUSY because of their very long life time. We reconsider the cosmological gravitino problem arising for this kind of models. It will be shown that the proposed solution for the overclosure of the universe by light gravitinos, namely the entropy production by decays of GMSB messenger, just works in a small subset of models and in fine-tuned regions of the parameter space. This is a consequence of two effects so far overlooked: the enhanced decay channels in massive vector bosons and the impact of charged messenger particles. Both aspects cause an interplay between different cosmological restrictions which lead to strong constraints on the parameters of GMSB models. Afterwards, a minimal supergravity (mSugra) scenario with additional chiral superfields at high energy scales is considered. These fields are arranged in complete $SU(5)$ multiplets in order to maintain gauge unification. The new fields generate a dimension 5 operator to explain neutrino data. Furthermore, they cause large differences in mass spectrum of MSSM fields because of the different evaluation of the renormalization group equations what changes also the properties of the lightest neutralino as dark matter candidate. We discuss the parameter space of all three possible seesaw scenarios with respect to dark matter and the impact on rare lepton flavor violating processes. As we will see, especially in seesaw type~III but also in type~II the mass spectrum and regions of parameter space consistent with dark matter differ significantly in comparison to a common mSugra scenario. Moreover, the experimental bounds, in particular of branching ratios like \(l_i \rightarrow l_j \gamma\), cause large constraints on the seesaw parameters. / Das Standardmodell der Teilchenphysik ist seit drei Jahrzehnten eine überaus erfolgreiche \linebreak Beschreibung der Eigenschaften und Wechselwirkungen der bekannten Elementarteilchen. Derzeit wird es durch die ersten Kollisionen des Large Hadron Colliders (LHC) erneut auf die Probe gestellt. Es wird weitläufig erwartet, dass am LHC neue Physik entdeckt wird und somit das \linebreak Standardmodell erweitert werden muss. Die am meisten untersuchte Erweiterung des\linebreak Standardmodells ist Supersymmetrie (SUSY). In SUSY können nicht nur intrinsische Probleme des Standardmodells wie das Hierarchieproblem gelöst werden, sondern es werden auch Teilchen postuliert, welche die gemessene Dunkle Materie im Universum erklären können. Der Gro{\ss}teil der bisherigen Studien über Dunkle Materie in SUSY hat sich hierbei auf die minimale supersymmetrische Erweiterung des Standardmodells, das MSSM, beschränkt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Szenarien zu betrachten, die darüber hinaus gehen. Hierbei handelt es sich um zwei Modelle, mit denen auch Neutrinomassen erklärt werden können: Das Gravitino als Dunkle Materie im Rahmen von Gauge Mediated SUSY Breaking (GMSB) mit $R$-Paritätsverletzung sowie Seesaw-Modelle mit einem Neutralino als leichtestem SUSY Teilchen. Weiterhin betrachten wir das "Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model" (NMSSM), welches das \(\mu\)-Problem des MSSM löst, und diskutieren dort das leichteste Neutralino als Dunkle Materie Kandidaten. \\ Im Rahmen von leichten Gravitinos als Dunkle Materie wird das kosmologische Gravitino Problem betrachtet. Es wird gezeigt, dass die in der Literatur vorgeschlagene Lösung gegen die Überbevölkerung des Universums durch solche Gravitinos, nämlich die Entropieproduktion durch Zerfälle der GMSB-Messenger, nur in ausgewählten Modellen und kleinen Regionen des Parameterraums funktioniert. Die Ursache hierfür sind zwei Faktoren, die bislang außer Acht gelassen wurden: Mögliche Zerfälle der neutralen Messenger in massive Vektorbosonen sowie der Einfluss geladener Messenger. Beide Aspekte bewirken zusammen ein Wechselspiel von verschiedenen, kosmologischen Randbedingungen, welches zu starken Bedingungen an die zu Grunde liegenden Parameter führt.\\ Als nächstes werden Modelle im Rahmen minimaler Supergravitation (mSugra) untersucht, welche bei sehr hohen Energien über zusätzliche chirale Superfelder verfügen. Diese zusätzlichen Teilchen sind in kompletten $SU(5)$ Multiplets angeordnet, um Eichvereinheitlichung nicht zu gefährden. Die neuen Teilchen erzeugen durch den so genannten Seesaw-Mechanismus einen Dimension~5 Operator, welcher Neutrinodaten erklären kann. Darüber hinaus erzeugen sie aber durch das geänderte Laufen der Renormierungsgruppengleichungen Unterschiede im Massenspektrum der SUSY Teilchen, was natürlich auch die Eigenschaften des Neutralinos als Dunkle Materie Kandidaten verändert. Wir diskutieren den Parameterraum aller drei möglichen Seesaw-Szenarien im Hinblick auf Dunkle Materie sowie die Auswirkungen auf Leptonflavor verletzende Prozesse. Wir werden sehen, dass insbesondere in Typ~III aber auch in Typ~II sowohl große Unterschiede im Massenspektrum als auch in den Parameterbereichen, welche konsistent mit Dunkler Materie sind, im Vergleich zu einem gewöhnlichen mSugra-Szenario bestehen. Darüber hinaus führen vor allem die oberen, experimentellen Schranken der Verzweigungsverhältnisse von \(l_i \rightarrow l_j \gamma\) zu starken Bedingungen an die zu Grunde liegenden Seesaw-Parameter. \\ Abschließend wird das Neutralino im Rahmen des NMSSM untersucht. In dieser Erweiterung des MSSM ist zwar das Neutralino immer noch der beste Kandidat für Dunkle Materie, kann sich jedoch auf Grund der Anteile eines Eichsinglets sehr unterschiedlich im Vergleich zum MSSM verhalten. Wir zeigen nicht nur die Unterschiede zum MSSM auf, sondern berechnen auch die Dichte Dunkler Materie im NMSSM mit der gleichen Präzision wie im MSSM. Für diesen Zweck ist es notwendig, eine komplette Einschleifenrenormierung des elektroschwachen Sektors des NMSSM durchzuführen. Es wird sich zeigen, dass insbesondere die Strahlungskorrekturen zu den Massen der Staus große Auswirkung auf die Neutralinodichte in der Koannihilationsregion haben. Weiterhin ist der so genannte Higgs-Funnel, also Bereiche im Parameterraum, in denen die Masse eines Higgs Bosons in etwa der zweifachen Masse des leichtesten Neutralinos entspricht, sehr sensitiv auf die Ein- und Zweischleifenkorrekturen im pseudoskalaren Sektor. \\ Im Rahmen dieser Projekte wurde ein Mathematica Package namens SARAH entwickelt, um supersymmetrische Modelle schnell, effektiv und mit sehr hoher Präzision untersuchen zu können. SARAH berechnet für ein gegebenes Modell alle analytischen Ausdrücke für die Massen, Wechselwirkungen, Selbstenergien auf Einschleifenniveau sowie Renormierungsgruppengleichungen auf Ein- und Zweischleifenniveau. Eine große Bandbreite von SUSY Modellen kann analysiert und auch von dem Benutzer intuitiv verändert werden. Die berechneten Ausdrücke können dazu benutzt werden, um neue Modelle in Programme zum diagrammatischen Berechnen von Prozessen (FeynArts/FormCalc bzw. CalcHep/CompHep) zu implementieren oder das gesamte Spektrum und alle Parameter des neuen SUSY Modells mit Hilfe von \SPheno berechnen zu lassen. Die sich durch SARAH bietenden Möglichkeiten gehen hierbei über reine Studien zur Dunkle Materie weit hinaus.

Zugl.: München, Univ., Diss., 2009

Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Sterrenkundig Instituut "Anton Pannekoek", Amsterdam. Met lit. opg. en een samenvatting in het Nederlands.