Le Modèle Standard Supersymétrique Minimal (MSSM), le plus étudié des modèles de Nouvelle Physique, contient un candidat à la matière noire : le neutralino. Un des mécanismes qui permet de réduire la densité relique de neutralino jusqu'à l'intervalle expérimental de WMAP et de Planck est la coannihilation entre le neutralino et le stop. Dans cette thèse nous étudions deux aspects différents liés à la prédiction de la densité relique dans la région de coannihilation neutralino-stop, ainsi qu'au calcul des sections efficaces d'annihilation et de coannihilation correspondantes. Nous présentons tout d'abord la matière noire en tant que WIMP ainsi que le Modèle Standard de la Physique des Particules, puis nous abordons le MSSM ainsi la phénoménologie de la densité relique de neutralino. Nous étudions ensuite la phénoménologie de la violation de saveur non minimale dans le secteur des squarks dans le contexte de la densité relique de neutralino. Nous considérons des termes violant la saveur dans le secteur des squarks up et down de chiralité droite et de troisième génération et montrons qu'ils peuvent avoir un impact important sur les sections efficaces d'annihilation et de coannihilation du neutralino, et en conséquence sur la densité relique. Finalement, nous nous intéressons à la possibilité d'améliorer la précision avec laquelle la densité relique est prédite, en calculant les sections efficaces d'annihilation et de coannihilation à l'ordre supérieur dans la théorie des perturbation. En se basant sur des travaux antérieurs qui ont montré que l'impact des corrections SUSY-QCD à une boucle pour l'annihilation de neutralino était supérieur à l'incertitude expérimentale, nous avons calculé de telles corrections dans le cas de la coannihilaiton neutralino-stop en bosons de jauge électrofaibles et bosons de Higgs. / The Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM), the most famous model of Physics beyond the Standard Model, provides a good dark matter candidate: the neutralino. One of the mechanisms which can reduce the predicted relic density of neutralino to the experimental range of WMAP and Planck is the coannihilation between the neutralino and the stop. In this thesis, we study two different aspects related to the prediction of the relic density in the neutralino-stop coannihilation region and the calculation of the corresponding annihilation and coannihilation cross sections. We first make short reviews of WIMP dark matter and the Standard Model of particle Physics, introduce the MSSM and discuss the phenomenology of neutralino relic density. We then study the phenomenology of Non Minimal Flavor Violation in the squark sector in the context of neutralino relic density. We consider flavor violating terms in the sectors of right handed third generation up and down squarks and show that they can have an important impact on the thermally averaged (co)annihilation cross section of the neutralino, and therefore on its relic density. Finally, we focus on the issue of improving the precision with which the relic density is calculated, by computing (co)annihilation cross sections at Next-to-Leading Order. Following earlier work in the calculation of one-loop SUSY-QCD corrections to the annihilation of neutralinos, which have shown that the impact of such corrections was larger than the experimental uncertainty, we have calculated similar corrections for the neutralino-stop coannihilation into electroweak gauge and Higgs bosons.

Das Top-Quark ist das schwerste bekannte Elementarteilchen. Im Standardmodell (SM) der Elementarteilchenphysik ist die Erzeugung in Paaren durch die starke Wechselwirkung der dominante Beitrag zu seiner Produktion. Top-Quarks können durch die schwache Wechselwirkung ebenfalls einzeln produziert werden. Die Einzelproduktion ist trotz ihres schwierigen experimentellen Nachweises wegen ihrer Komplementarität zur Paarproduktion interessant. So sind einzeln produzierte Top-Quarks stark polarisiert. Diese Polarisation führt wegen des Zerfalls von Top-Quarks vor ihrer Hadronisierung zu experimentell zugänglichen Auswirkungen auf die Zerfallsprodukte. Weiterhin erlaubt die Beteiligung von Bottom-Quarks im Anfangszustand die Untersuchung der zugehörigen Partonverteilungsfunktion. In dieser Arbeit werden für phänomenologische Vorhersagen Wirkungsquerschnitte für die Produktion einzelner Top-Quarks oder Top-Antiquarks in Assoziation mit zwei Jets im SM berechnet. Dabei werden die Korrekturen in der nächstführenden Ordnung der Quantenchromodynamik (QCD) berücksichtigt. Diese Korrekturen bilden den wichtigsten Beitrag jenseits der führenden Ordnung zur Verbesserung der theoretischen Vorhersage. Präzise theoretische Vorhersagen für Wirkungsquerschnitte sind für die Suche nach Physik jenseits des SM mit dem Large Hadron Collider am CERN unerlässlich. Im Unterschied zu den im Jahr 2002 veröffentlichten Korrekturen in der QCD zur Produktion einzelner Top-Quarks wurde ein zusätzliches Teilchen im Endzustand berücksichtigt. Als Folge treten neue partonische Anfangszustände und Beiträge mit Farbaustausch zwischen den Quark-Linien auf. Da Top-Quarks nach kurzer Zeit in ein W-Boson und ein Bottom-Quark zerfallen, muss zugleich eine konsistente Abgrenzung von der Produktion einzelner Top-Quarks in Assoziation mit einem W-Boson und von der Paarproduktion vorgenommen werden. / The top quark is the heaviest known elementary particle. In the standard model (SM) of elementary particle physics it is produced predominantly in pairs by the strong interaction. The weak interaction enables the production of single top-quarks as well. Despite its difficult experimental signature, the production of single top-quarks is interesting as it is complementary to the production of pairs. For instance single top-quarks are highly polarized. As top quarks decay before they hadronize, the polarization affects the decay products of the top quark in an experimentally accessible way. Furthermore, the participation of bottom-quarks in the initial state allows a study of the corresponding parton distribution functions. This thesis makes phenomenological predictions for the SM by calculating cross sections for the production of single top-quarks in association with two jets. Next-to-leading order corrections in quantum chromodynamics (QCD) are taken into account. These corrections are the most important contribution for precise predictions beyond the leading order calculation. Precise theoretical predictions for cross sections are mandatory for the search for new physics at the Large Hadron Collider at CERN. In contrast to the QCD corrections for the production of single top-quarks published in 2002 an additional particle in the final state was taken into account. As a consequence, new partonic initial states and contributions with exchange of color charge between the quark lines occur. As top quarks decay rapidly into a W boson and a bottom quark, a consistent separation from the production of top quark pairs and from the production of single top-quarks in association with a W boson must be ensured.

In dieser Arbeit wird die Berechnung der farbführenden Zweischleifen-QCD-Korrekturen für die Top-Quark-Paarproduktion mit einem zusätzlichen Jet an einem Lepton-Collider präsentiert. Das Matrixelement wird in Vektor- und Axial-Vektorströme zerlegt und die Ströme werden weiter in Dirac-Spinorstrukturen und Formfaktoren zerlegt. Die Formfaktoren werden mit Projektoren extrahiert. Die auftretenden Feynmanintegrale werden mittels IBP-Identitäten und Dimensionsverschiebungstransformationen durch eine Basis quasi-finiter Masterintegrale in 6−2ϵ Dimensionen ausgedrückt. Die Mehrheit der Feynmanintegrale gehört zu einer Doppelbox-Integralfamilie. Die Berechnung der Masterintegrale erfolgt durch numerisches Lösen von Differentialgleichungen in kinematischen Invarianten. Asymptotische Reihenentwicklungen der Masterintegrale in der Top-Quarkmasse werden verwendet, um die Anfangsbedingungen für die numerischen Lösungen der Differentialgleichungen zu bestimmen. Die führenden Terme dieser Entwicklung werden mit der Expansion-by-Regions-Methode berechnet. Höhere Reihenkoeffizienten werden durch die Anwendung einer Differentialgleichung auf einen Ansatz für die Reihenentwicklung bestimmt. Die renormierten Formfaktoren und die farbführende Zweischleifenamplitude werden an einem Referenzphasenraumpunkt zu hoher Präzision numerisch ausgewertet. Die Resultate werden mit elektroschwachen Ward-Identitäten und durch numerische Vergleiche der IR-Singularitäten mit der erwarteten Singularitätsstruktur überprüft. / In this work, the calculation of the leading-colour two-loop QCD corrections for top-quark pair production with an additional jet at a lepton collider is presented. The matrix element is decomposed into vector and axial-vector currents and the currents are further decomposed into Dirac spinor structures and form factors. The form factors are extracted with projectors. The Feynman integrals are reduced to a quasi-finite basis in 6 − 2ϵ dimensions using IBP identities and dimension-shift transformations. The majority of master integrals belong to a double-box integral family. The master integrals are computed by numerically solving systems of differential equations in the kinematic invariants. Asymptotic expansions of the master integrals in the top-quark mass variable are used to calculate initial conditions for the numerical differential equation solutions. The leading terms of the expansion are obtained with the expansion by regions and the higher orders are calculated by solving a system of equations obtained from applying the differential equation onto an ansatz of the expansion. The renormalized form factors and the leading-colour two-loop amplitude are evaluated numerically to high precision at a benchmark phase space point. The results are cross-checked with electroweak Ward identities and by numerically comparing the IR singularities with the expected singularity structure.