Frankfurt (Main), Univ., Diss., 2002. / Computerdatei im Fernzugriff.

Frankfurt (Main), Univ., Diss., 2002. / Computerdatei im Fernzugriff.

Frankfurt (Main), Universiẗat, Diss., 2002.

Universiẗat, Diss., 2002--Frankfurt (Main).

University, Diss., 2006--Würzburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2005.

Würzburg, Universiẗat, Diss., 1995.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine umfassende Analyse von Erzeugung und anschließenden Zerfällen von Neutralinos im Nichtminimalen Supersymmetrischen Standardmodell (NMSSM) speziell für den nächsten verfügbaren Elektron-Positron-Speicherring LEP2 am CERN mit einer voraussichtlichen Schwerpunktsenergie von 190 GeV. Das NMSSM ist die einfachste Erweiterung des Minimalen Supersymmetrischen Standardmodells MSSM mit einem Singlett-Superfeld, so dass der Higgs-Sektor insgesamt sieben physikalische Higgs-Teilchen enthält, und zwar drei neutrale skalare, zwei pseudoskalare und zwei geladene. Weiterhin enthält das NMSSM fünf Neutralinos gegenüber vier im MSSM. In dieser Arbeit präsentieren wir die 5 x 5 Neutralinomischungsmatrix, stellen die Eigenwertgleichung auf und analysieren das Massenspektrum und die Parameterabhängigkeit möglicher masseloser Zustände. Für die Untersuchung von Neutralinoproduktion und -zerfall wurden verschiedene Szenarien gewählt, in denen das leichteste Neutralino eine Masse von 10 GeV und eine Singlettkomponente von über 90% besitzt oder in denen das leichteste Neutralino bis zu 50 Gev schwer ist und sich der Singlettanteil auf die beiden leichtesten Neutralinos verteilt. Die Wirkungsquerschnitte für die Neutralinoproduktion wurden in den gewählten Szenarien für Schwerpunktsenergien von 100 GeV bis 600 GeV berechnet, also bis zu einem Bereich, den ein geplanter Elektron-Positron-Linearbeschleuniger erreichen kann. Typische Wirkungsquerschnitte für die direkte Produktion vorwiegend singlettartiger Neutralinos liegen im Bereich von 100 fb. Selbst wenn das leichteste Neutralino sehr leicht ist, kann das nächste bereits so schwer sein, dass bei LEP2 nur die nicht nachtweisbare Paarproduktion des leichtesten supersymmetrischen Teilchens möglich ist. Somit ist bei LEP2 keine Erhöhung der unteren Neutralinomassengrenzen im NMSSM zu erwarten, falls kein Neutralino gefunden wird. In Szenarien mit leichten singlettartigen Neutralinos können sehr oft auch sehr leichte Higgs-Bosonen mit Massen unterhalb der im MSSM vorhandenen Grenzen existieren. Somit kann in allen unseren Szenarien der Neutralinozerfall in ein skalares oder pseudoskalares Higgs-Boson möglich sein und dann Verweigungsverhältnisse bis zu fast 100% erreichen. Wir berechnen in dieser Arbeit für die bei LEP2 produzierbaren Neutralinos die Verwzeigungsverhältnisse für die Zweikörperzerfälle in Higgs-Bosonen, die Dreikörperzerfälle in zwei Fermionen und den Schleifenzerfall in ein Photon. In allen Fällen befindet sich im Endzustand außerdem das unsichtbare leichteste Neutralino, dass sich experimentell als fehlende Energie niederschlägt. Zur Bestimmung der Signaturen betrachten wir außerdem die anschließenden Zerfallsmodi der leichten Higgs-Bosonen. Der Nachweis von leichten singlettartigen Neutralinos im NMSSM kann einerseits unmöglich sein, wenn entweder die schweren Neutralinos bei der verfügbaren Schwerpunktsenergie nicht produziert werden können oder über Higgs-Bosonen vollkommen in das LSP zerfallen, andererseits aber auch durch klare Signaturen mit einem Photon oder mit Jets im Endzustand erleichtert werden. Bei LEP2 sollten also durchaus Chancen bestehen, auch im Rahmen des NMSSM ein Neutralino zu entdecken. Zumindest werden sich weitere Einschränkungen des Parameterraums ergeben. Der Dissertation ist ein Anhang beigefügt, der eine vollständige Liste aller Feynman-Regeln des NMSSM enthält, die sich von denjenigen des MSSM unterscheiden. / The aim of our study is a comprehensive analysis of the production and the subsequent decays of neutralinos in the Nonminimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM) especially for a center-of-mass energy of 190 Gev expected at the electon-positron storage ring LEP2 at CERN. The NMSSM is the simplest extension of the Minimal Supersymmetric Standard Modell (MSSM) by a singlet superfield. The Higgs sector contains seven physical Higgs particles, three scalars, two pseudoscalar and two charged Higgs bosons. The neutralino sector consists of five neutralinos instead of four in the MSSM. We present the 5 x 5 neutralino mixing matrix, compute the eigenvalue equation and analyse the mass spectrum and the parameter dependence of massless neutralino states. For the study of neutralino production and decay we choose scenarios where the lightest neutralino has a mass of 10 GeV and a singlet component of more than 90%, or where the lightest neutralino has a mass of up to 50 GeV and the lightest two neutralinos contains significant singlet contributions. In these scenarios the cross sections are computed for center-of-mass energies ranging from 100 GeV to 600 GeV of a electron-positron linear collider. Typical cross sections for the direct production of mainly singlet-like neutralinos are around 100 fb. Even if a neutralino is rather light, the next neutralino could already be so heavy that at LEP energies only the invisible pair production of the lightest neutralino is kinematically allowed. Therefore one cannot expect to raise the lower NMSSM neutralino mass bound if no neutralino is found. In scenarios with light singlet-like neutralinos there often exist also light Higgs bosons with masses below the MSSM mass bounds. Therefore in our scenarios the neutralino decay in a scalar or pseudoscalar Higgs can reach decay rates up to 100%. We compute the decay rates for the two-body decays into Higgs bosons, for the three-body decays into two fermions and the loop decay into a photon. All final states contain the invisible lightest neutralino with the experimental signature of missing energy. In order to determine the signatures we also consider the decay modes of the light Higgs bosons. The detection of light singlet-like neutralino could be impossible if the heavier neutralinos can not be produced at the collider or if they decay via Higgs bosons into the LSP. But it could also faciliated by clear signatures with a photon or jets in the final states. LEP2 offers some chances to detect a NMSSM neutralino, at least further restrictions of the NMSSM parameter space can be expected. The dissertation contains an appendix with a complete list of all Feyman rules of the NMSSM that are different from their MSSMM counterparts.

The mechanism of spontaneous symmetry breaking is essential to provide masses to the W and Z gauge bosons and fermions of the SM. We hope to elucidate this mechanism at the next generation of colliders. While the SM has been tested with astonishing precision it is believed to be an effective theory of a more fundamental Great Unified Theory. SUSY is one of the most attractive extensions of the SM of particle physics. Therefore, the search for SUSY is a top priority at the next generation of colliders. Once Higgs bosons are discovered, a precise determination of their properties is necessary to differentiate between different models, in particular the MSSM. A muon collider, running at center of mass energies around the neutral Higgs boson resonances, would allow precise measurements of masses and widths, as well as the couplings to their decay products. In particular their couplings to supersymmetric particles are essential to probe SUSY. Therefore, we study the decays of the heavier CP-even and CP-odd Higgs bosons into lighter chargino or neutralino pairs. In this thesis we have analyzed the polarization effects of the beams and the charginos and neutralinos produced in mu+ mu- annihilation around the center of mass energies of the Higgs boson resonances H and A. For the production of equal charginos we have shown that the ratio of H-chargino and A-chargino couplings can be precisely determined independently of the chargino decay mechanism. This method avoids reference to other experiments and makes only a few model-dependent assumptions. Here we have analyzed the effect of the energy spread and of the error from the non-resonant channels, including an irreducible standard model background contribution. For small tan(beta) the process yields large cross sections of up to a pb. For the production of two different charginos we have shown that the H-A interference can be analyzed using asymmetries of the charge conjugated processes. The asymmetries depend on the muon longitudinal beam polarizations and vanish for unpolarized beams. For the chargino pair production with subsequent two-body decay of one of the charginos we have shown that charge and beam polarization asymmetries in the energy distributions of the decay particles are sensitive to the interference of scalar exchange channels with different CP quantum numbers. This process provides unique information on the interference of overlapping Higgs boson resonances. The effect is larger for regions of parameter space with intermediate values of tan(beta) and light sleptons or LSP neutralinos. For the chargino pair production with subsequent two-body decays of both charginos we have defined energy distribution and angular asymmetries in the final particles, in order to analyze the spin-spin correlations of the charginos. The transverse polarizations of the charginos are sensitive to the CP quantum number of the exchanged Higgs bosons and can thus be used to separate overlapping resonances, as well as to determine the CP quantum number of a single resonance. For equal charginos, these asymmetries are not sensitive to the interference of CP-even and CP-odd Higgs exchange channels. For the neutralino pair production in mu+ mu- annihilation we study similar processes as for chargino production. Line shape measurements of neutralino pair production allow to precisely determine the ratio of H-neutralino and A-neutralino couplings. Neutralino pair production with subsequent two-body decay of one of the neutralinos in the intermediate tan(beta) region is sensitive to the interference of H and A and may be measured with a large statistical significance. The Majorana nature of the neutralinos implies that the beam polarization asymmetries vanish for the remaining production channels. For neutralino pair production with subsequent two-body decays of both neutralinos we analyze similar observables as in chargino production. The main difference consists in the intrinsic relative CP quantum number of the neutralino pair, which depends on the chosen scenario. We have thus shown that the interaction of the Higgs bosons to the gaugino-higgsino sector can be probed at a muon collider in chargino and neutralino pair production, both analyzing the production line-shape around the resonances as well as studying the chargino and neutralino polarizations via their decays. / Der Mechanismus der spontanen Symmetriebrechung ist notwendig, um den W-und Z-Eichbosonen sowie den Fermionen des Standardmodels Masse geben zu können. Wir hoffen, diesen Mechanismus in der nächsten Generation von Teilchenbeschleunigern nachweisen zu können. Obwohl die Vorhersagen des Standardmodels (SM) bisher mit sehr großer Präzision bestätigt werden konnten, glaubt man, dass es sich um einen effektiven Niederenergielimes einer fundamentaleren Großvereinheitlichten Theorie handelt. Supersymmetrie (SUSY) ist eine der attraktivsten Erweiterungen des Standardmodels der Teilchenphysik. Deswegen ist die Suche nach SUSY eine der Prioritäten der nächsten Generation von Beschleunigern. Werden Higgs-Bosonen entdeckt, ist eine präzise Bestimmung ihrer Eigenschaften nötig. Ein Myonenbeschleuniger mit einer Schwerpunktsenergie in der Nähe der Resonanzen der neutralen Higgs-Bosonen würde eine ideale ,,Higgs-Fabrik'' darstellen, die genaue Messungen der Massen und Breiten sowie der Kopplungen und Zerfallsprodukte der Higgsbosonen erlauben würde. Insbesondere deren Kopplungen an SUSY-Teilchen ist wichtig, um das in der Natur realisierte SUSY-Szenario zu ermitteln. Deswegen haben wir die Zerfälle der schwereren CP-geraden und CP-ungeraden Higgs-Bosonen in leichtere Chargino- oder Neutralino-Paare studiert. In dieser Arbeit wurden der Einfluss der Strahlpolarisation der Myonen sowie die Polarisation der Charginos bzw. Neutralinos erzeugt in Myon Annihilation untersucht. Für die Produktion gleicher Charginos wurde gezeigt, dass das Verhältnis der H-Chargino-und der A-Chargino Kopplungen unabhängig vom Chargino Zerfallsmechanismus mit hoher Präzision bestimmt werden kann. Diese Methode vermeidet Anleihen bei anderen Experimenten und macht nur wenige modelabhängige Annahmen. Hier wurde der Effekt der Energieverteilung der Myonenstrahlen und des Fehlers aus den nicht-resonanten Kanäle, mit Berücksichtigung des irreduziblen Standardmodel-Hintergrundbeitrags, untersucht. Für kleine Werte von tan(beta) werden bei diesem Prozess große Wirkungsquerschnitte von bis zu einem pb erzielt. Für die Produktion von zwei unterschiedlichen Charginos wurde gezeigt, dass die H-A-Interferenz mit der Asymmetrie der Wirkungsquerschnitte für ladungskonjugierten Prozesse analysiert werden kann. Diese Asymmetrie hängt von der longitudinalen Strahlpolarisation ab und verschwindet für unpolarisierten Myon-Strahlen. Für Chargino-Paarproduktion mit anschließendem Zweikörperzerfall eines der Charginos haben wir gezeigt, dass die Ladungs-und Polarisationsasymmetrien den Energieverteilungen der Zerfallsprodukte auf die Interferenz der skalaren Austausch-Kanäle mit unterschiedlichen CP-Quantenzahlen sensitiv sind. Dieser Prozess liefert eindeutige Informationen über die Interferenz überlappender Higgsboson-Austausch-Resonanzen. Der Effekt ist für Regionen des Parameterraums mit mittleren Werten von tan(beta) und für leichte Sleptonen oder LSP Neutralinos größer. Für Chargino-Paarproduktion mit anschließendem Zweikörperzerfall beider Charginos wurden Energie- und Winkelverteilungen der Zerfallsprodukte definiert, um damit die Chargino-Spin-Spin-Korrelationen analysieren zu können. Die transversalen Polarisationen der Charginos sind auf die CP-Quantenzahl des ausgetauschten Higgs-Bosons sensitiv. Dadurch kann man überlappende Resonanzen trennen, sowie auch die CP-Quantenzahl einer einzelnen Resonanz bestimmen. Für gleiche Charginos sind diese Asymmetrien auf die Interferenz CP-gerader und CP-ungerader Higgs-Kanäle nicht sensitiv. Es ist deswegen nicht möglich, mit ihrer Hilfe zwischen zwei überlappenden skalaren Resonanzen mit unterschiedlichen CP-Quantenzahlen und einer CP-verletzenden einzelnen Resonanz zu unterscheiden. Für Neutralino Paarproduktion in Myon Annihilation werden, analog zum Chargino Produktionsprozess, Lineshape sowie die anschließenden Zerfälle untersucht. Lineshape-Messungen der Neutralino-Paarproduktion erlauben eine präzise Bestimmung des Verhältnisses der H-Neutralino- und A-Neutralino-Kopplungen. Neutralino Paarproduktion mit anschließendem Zweikörperzerfall eines der Neutralinos für mittleren Werten von tan(beta) ist sensitiv auf Interferenz von H und A ist und kann möglicherweise mit ausreichender statistischer Signifikanz gemessen werden können. Für Neutralino-Paarproduktion mit anschließendem Zweikörperzerfall beider Neutralinos werden die analogen Observablen wie bei der Chargino Paarproduktion analysiert. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass die relative intrinsische CP-Quantenzahl des erzeugten Neutralinopaares vom Szenario abhängt. Es wurde somit gezeigt, dass die Wechselwirkung der Higgsbosonen an den Gaugino-Higgsino-Sektor an einem Myonbeschleuniger aus Analysen der Chargino bzw. Neutralino Paar-Produktions-Lineshape an den Resonanzen sowie auch aus der Strahlpolarisations-Abhängigkeit der anschließenden Zerfälle getestet werden können.

The PICASSO project is a direct dark matter search experiment located 2070 metres underground in SNOLAB. Superheated droplets of Freon (C4F10) are used as the active mass, providing a target for the incoming neutralinos. Recoiling nuclei deposit energy in the superheated Freon droplets, triggering a phase transition, the pressure waves of which can be detected using piezo-electric sensors. Previously published limits using an exposure of 1.98 +/- 0.19 kg day obtained a peak spin-dependent cross section exclusion limit for neutralino-proton interactions of 1.31 pb at a neutralino mass of 29 GeV/c^2 at a 90% confidence level. Improvements in the detectors installed in the underground experiment have provided 20.99 +/- 0.25 kg day for analysis and improvements in the analysis method have produced an exclusion limit of 2.9 X 10^(-2) pb at a neutralino mass of 16.7 GeV/c^2. In addition, a thorough study of the backgrounds, corrections and systematic uncertainties has been included, indicating that this limit does not exceed 3.5 X 10^(-2) pb when considering the one sigma error on the uncertainty band. / Thesis (Ph.D, Physics, Engineering Physics and Astronomy) -- Queen's University, 2008-08-29 11:42:31.428

A feasibility study is presented which measures the masses of the chargino X̃₁^± and neutralinos X̃₁⁰ and X̃₂⁰ using the processes of e⁺e⁻→ X̃₁⁺X̃₁^- → X̃₁⁰X̃₁⁰W⁺W⁻ and e⁺e⁻→ X̃₂⁰X̃₂⁰ → X̃₁⁰X₁⁰ZZ at the International Linear Collider. The detector simulation is based on the Silicon Detector (SiD) concept and an integrated luminosity of 500 fb⁻¹ is considered at the centre-of-mass energy of 500 GeV. A template-fitting method is employed to measure the chargino and neutralino masses, which results in uncertainties of 0.16 GeV, 0.5 GeV and 1.0 GeV for the mass of X̃₁⁰, X̃₁^± and X̃₂⁰ respectively. A study on the ISIS2 sensor, a technology for the ILC vertex detector, is also presented. The characteristic of the sensors are studied for both its test structure and main array pixels. The operation conditions are optimized and the sensor successfully demonstrated its capabilities of in-situ charge storage and charge transfer. The charge transfer efficiency is measured to be better than 98%.