Würzburg, Univ., Diss., 2005. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2004

Wir studieren die Produktion und den Nachweis von Selektronen mit Massen jenseits der Schwelle zur Paarerzeugung an künftigen Linearbeschleunigern mit Schwerpunktsenergien von 500 GeV und 800 GeV. Hierzu betrachten wir die Produktion von linken und rechten Selektronen in Assoziation mit dem jeweils leichtesten Neutralino oder Chargino durch Elektron-Elektron-, Elektron-Positron- und Elektron-Photon-Streuung im Rahmen des MSSM. Die Produktion durch Elektron-Elektron-Streuung untersuchen wir zusätzlich in zwei erweiterten Modellen, dem NMSSM und einem E6-Modell mit einem zusätzlichen U(1)-Eichfaktor. / We investigate the production and the decay of selectrons with masses beyond the threshold for pair production at future linear colliders with center-of-mass energies of 500 GeV and 800 GeV. For this we study the production of left and right selectrons in association with the lightest neutralino or chargino, respectively, via electron-electron, electron-positron and electron-photon scattering in the framework of the MSSM. Furthermore we analyse the production via electron-electron scattering in two extended models, the NMSSM and an E6-model with an additional U(1) gauge factor.

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.

It is generally agreed upon the fact that the Standard Model of particle physics can only be viewed as an effective theory that needs to be extended as it leaves some essential questions unanswered. The exact realization of the necessary extension is subject to discussion. Supersymmetry is among the most promising approaches to physics beyond the Standard Model as it can simultaneously solve the hierarchy problem and provide an explanation for the dark matter abundance in the universe. Despite further virtues like gauge coupling unification and radiative electroweak symmetry breaking, minimal supersymmetric models cannot be the ultimate answer to the open questions of the Standard Model as they still do not incorporate neutrino masses and are besides heavily constrained by LHC data. This does, however, not derogate the beauty of the concept of supersymmetry. It is therefore time to explore non-minimal supersymmetric models which are able to close these gaps, review their consistency, test them against experimental data and provide prospects for future experiments. The goal of this thesis is to contribute to this process by exploring an extraordinarily well motivated class of models which bases upon a left-right symmetric gauge group. While relaxing the tension with LHC data, those models automatically include the ingredients for neutrino masses. We start with a left-right supersymmetric model at the TeV scale in which scalar \(SU(2)_R\) triplets are responsible for the breaking of left-right symmetry as well as for the generation of neutrino masses. Although a tachyonic doubly-charged scalar is present at tree-level in this kind of models, we show by performing the first complete one-loop evaluation that it gains a real mass at the loop level. The constraints on the predicted additional charged gauge bosons are then evaluated using LHC data, and we find that we can explain small excesses in the data of which the current LHC run will reveal if they are actual new physics signals or just background fluctuations. In a careful evaluation of the loop-corrected scalar potential we then identify parameter regions in which the vacuum with the phenomenologically correct symmetry-breaking properties is stable. Conveniently, those regions favour low left-right symmetry breaking scales which are accessible at the LHC. In a slightly modified version of this model where a \(U(1)_R × U(1)_{B−L}\) gauge symmetry survives down to the TeV scale, we implement a minimal gauge-mediated supersymmetry breaking mechanism for which we calculate the boundary conditions in the presence of gauge kinetic mixing. We show how the presence of the extended gauge group raises the tree-level Higgs mass considerably so that the need for heavy supersymmetric spectra is relaxed. Taking the constraints from the Higgs sector into account, we then explore the LHC phenomenology of this model and point out where the expected collider signatures can be distinguished from standard scenarios. In particular if neutrino masses are explained by low-scale seesaw mechanisms as is done throughout this work, there are potentially spectacular signals at low-energy experiments which search for charged lepton flavour violation. The last part of this thesis is dedicated to the detailed exploration of processes like μ → e γ, μ → 3 e or μ−e conversion in nuclei in a supersymmetric framework with an inverse seesaw mechanism. In particular, we disprove claims about a non-decoupling effect in Z-mediated three-body decays and study the prospects for discovering and distinguishing signals at near-future experiments. In this context we identify the possibility to deduce from ratios like BR(\(τ → 3 μ\))/BR(\(τ → μ e^+ e^−\)) whether the contributions from ν − W loops dominate over supersymmetric contributions or vice versa. / Man ist sich einig darüber, dass das Standardmodell der Teilchenphysik in seiner aktuellen Form nicht der Weisheit letzter Schluss ist – zu viele grundlegende Fragen lässt es offen. Lediglich die genaue Form der nötigen Erweiterung wird heiß debattiert. Supersymmetrische Modelle gehören zu den vielversprechendsten Ansätzen zu Physik jenseits des Standardmodells, da sie gleichzeiting das Hierarchieproblem lösen und die Dichte der beobachteten dunklen Materie im Universum erklären können. Obwohl das minimale supersymmetrische Modell weitere Vorzüge vorzuweisen hat – hierzu gehört die Vereinheitlichung der Eichkopplungen an großen Skalen sowie radiative elektroschwache Symmetriebrechung – sprechen die aktuellen Messungen am LHC eine andere Sprache. Zudem sind auch in diesem Modell die Neutrinos masselos, sodass es nicht die endgültige Theorie darstellen kann. Dies mindert jedoch nicht die Schönheit des Konzepts der Supersymmetrie, weshalb es an der Zeit ist, nichtminimale supersymmetrische Modelle zu untersuchen, welche die o. g. Probleme nicht aufweisen. Diese Modelle müssen auf Herz und Nieren geprüft werden, bevor man sie mit experimentellen Daten vergleichen und Vorhersagen für zukünftige Experimente treffen kann. Das Ziel dieser Arbeit ist es, zu diesem wichtigen Prozess beizutragen. Hierzu soll die besonders aussichtsreiche Klasse von supersymmetrischen Modellen, welche auf einer links-rechts-Eichsymmetrie basieren, genau untersucht werden. Diese Modelle sind deutlich weniger von LHC-Ausschlussgrenzen betroffen und sagen zudem rechtshändige Neutrinos voraus, mit welchen die leichten Neutrinomassen erklärt werden können. Zu Beginn wenden wir uns einem links-rechts-supersymmetrischen Modell an der TeV-Skala zu, in welchem \(SU(2)_R\) -Tripletts sowohl für die Brechung der Links-Rechts-Symmetrie als auch für die Generation von Neutrinomassen verantwortlich sind. Zur führenden Ordnung in der Störungstheorie beinhaltet diese Art von Modellen ein tachyonisches doppelt geladenes Skalarfeld. Wir wenden uns der Ermittlung der zugehörigen Masse auf dem Einschleifenniveau zu und zeigen erstmals in einer konsistenten, vollständigen Berechnung derselben, dass die Masse im Allgemeinen reell ist. Anschließend werden die Beschränkungen an die Links-Rechts-Brechungsskala aus aktuellen LHC-Daten ermittelt. Wir zeigen, dass unser Modell gewisse Signal- Uberschüsse in jenen Daten erklären kann – der aktuelle LHC-Lauf wird klären, ob diese tatsächlich neuer Physik oder doch nur statistischen Fluktuationen entsprechen. Schließlich bestimmen wir in einer Untersuchung der Vakuumstruktur auf dem Einschleifenniveau diejenigen Parameterregionen, in welchen die phänomenologisch korrekte elektroschwache Symmetriebrechung angenommen wird. Passenderweise werden Regionen bevorzugt, welche messbare Signale am LHC vorhersagen. In einem leicht unterschiedlichen Modell, in dem eine \(U(1)_R × U(1)_{B−L}\) bis herunter an die TeV-Skala überleben kann, implementieren wir einen über Eichwechselwirkungen vermittelten Supersymmetrie-Brechungsmechanismus, mit besonderem Augenmerk auf die eichkinetische Mischung in den Randbedingungen. Durch die erweiterte Eichgruppe wird die Higgsmasse bereits auf führender Ordnung erhöht. Wir ermitteln die Konsequenzen für die Skala der Supersymmetrie-Brechungsskala. Anschließend untersuchen wir die am LHC zu erwartende Phänomenologie und zeigen auf, in welchen Prozessen sich dieses Modell von Standard-Szenarien unterscheidet. Durch diese Arbeit hinweg nehmen wir an, dass die leichten Neutrinomassen duch einen Seesaw-Mechanismus an der TeV-Skala erklärt werden. Dass dies zu potentiell höchst interessanten Signalen in Niederenergieexperimenten führt, wird im letzten Teil dieser Arbeit thematisiert. Der Fokus liegt hierbei auf Lepton-Flavour-verletzenden Prozessen wie μ → e γ, μ → 3 e oder die μ−e-Umwandlung in Atomkernen, welche wir im Rahmen eines supersymmetrischen Modells mit inversem Seesaw-Mechanismus genauer untersuchen. Insbesondere widerlegen wir Behauptungen von nichtentkoppelnden Z-Pinguin-Diagrammen und untersuchen die Aussichten, Signale an zukünftigen Experimenten zu messen sowie Rückschlüsse auf das zugrundeliegende Modell ziehen zu können. In diesem Zusammenhang demonstrieren wir die Möglichkeit, durch die relativen Verhältnisse von Verzweigungsverhältnissen wie BR(\(τ → 3 μ\))/BR(\(τ → μ e^+ e^−\)) unterscheiden zu können, ob die zugehörigen Prozesse hauptsächlich durch supersymmetrische oder durch W − ν-Diagramme herbeigeführt wurden.

Supersymmetry is an attractive extension of the Standard Model (SM) of particle physics. The minimal supersymmetric extension (MSSM) provides gauge coupling unification, a dark matter candidate particle and can explain the breaking of the electroweak symmetry dynamically. However, it suffers from the little hierarchy and the mu-problem. Non-minimal supersymmetric extensions of the SM with a larger particle content or a higher symmetry can evade the problems of the MSSM. Such models may be well-motivated by Grand Unified Theories (GUTs) and can provide a rich new phenomenology with an extended Higgs sector, exotic particles, additional interactions and a close connection to String Theory. Interesting examples are the Next-to Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM), which is motivated by the mu-problem, and the Exceptional Supersymmetric Standard Model (E6SSM), which is inspired by E6 GUTs. For phenomenological investigations of supersymmetric (SUSY) models the pole mass spectrum must be calculated from the fundamental model parameters. This task, however, is non-trivial as the spectrum must be consistent with measured low-energy observables (fine-structure constant, Z boson pole mass, muon decay etc.) as well as electroweak symmetry breaking and potential universality conditions on the soft supersymmetry breaking parameters at the GUT scale. Programs, which calculate the SUSY mass spectrum consistent with constraints of this kind are called spectrum generators. In this thesis four different contributions to the prediction of mass spectra and model parameters in non-minimal SUSY models are presented. (i) One-loop matching corrections of the E6SSM gauge and Yukawa couplings to the SM are calculated to increase the precision of the mass spectrum prediction in the constrained E6SSM. (ii) The beta-functions of vacuum expectation values (VEVs) are calculated in a general and supersymmetric gauge theory at the one- and two-loop level. The results enable an accurate calculation of the renormalization group running of the VEVs in non-minimal SUSY models. (iii) An NMSSM extension of Softsusy, a spectrum generator for the MSSM, is implemented. It represents a precise alternative to the already existing spectrum generator NMSPEC. (iv) FlexibleSUSY is presented, a general framework which creates a fast, modular and precise spectrum generator for any user-defined SUSY model. It represents a generalization of the hand-written SUSY spectrum generators and allows the study of a large variety of new SUSY models easily with high precision.

Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2008

University, Diss., 2004--Münster (Westfalen). / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2003.

University, Diss., 2004--Jena.

University, Diss., 2004--Jena.

In this work the supersymmetric seesaw model and its effects on low-energy leptonic observables and thermal leptogenesis have been systematically investigated. Precision measurements will increase the sensitivity on lepton-flavor violating decays, particularly on Br(l_j->l_i gamma) and also on electric and magnetic dipole moments in the near future. In order to improve also the accuracy of theoretical predictions for these processes, we have performed a full one-loop calculation of the underlying supersymmetric processes taking into account the lepton masses. Since the mechanism of soft supersymmetry breaking (SSB) is completely unknown, a novel analysis beyond the often studied minimal Supergravity scenarios has been performed. This way it has been demonstrated that in the considered mSUGRA, AMSB, GMSB and gaugino mediated scenarios, the ongoing search for Br(mu->e gamma) can constrain fundamental SSB parameters and/or the seesaw parameters. On the other hand, the basic parameters of thermal leptogenesis, such as the CP asymmetry in the decays of the lightest right-handed Majorana neutrino, provide probes of the unknown complex orthogonal R-matrix of the seesaw model. / In dieser Arbeit wurde systematisch das supersymmetrische Seesaw Modell und seine Auswirkungen auf leptonische Niederenergieprozesse und thermische Leptogenese untersucht. Präzisionsmessungen werden die Messgenauigkeit in Leptonflavor verletzenden Zerfällen, insbesondere für Br(l_j->l_i gamma), sowie in elektrischen und magnetischen Dipolmomenten in naher Zukunft erhöhen. Um auch die Genauigkeit von theoretischen Vorhersagen für diese Prozesse zu steigern, wurde eine komplette Einschleifenrechnung der zugrundeliegenden supersymmetrischen Prozesse unter Berücksichtigung der Leptonmassen durchgeführt. Da der Mechanismus für "soft Supersymmetry Breaking" (SSB) unbekannt ist, wurde eine neue Studie angestellt, welche über die häufig untersuchten minimalen Supergravity Szenarien hinausgeht. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass in den untersuchten Szenarien von mSUGRA, AMSB, GMSB und Gaugino Mediation die anhaltende Suche nach Br(mu->e gamma) fundamentale SSB Parameter und / oder die Seesaw Parameter einschränken kann. Auf der anderen Seite ist durch die grundlegenden Parameter von thermischer Leptogenese, wie beispielsweise die CP-Asymmetrie in den Zerfällen des leichtesten rechthändigen Majorana-Neutrinos, die Möglichkeit gegeben, die komplex-orthogonale R-Matrix des Seesaw Modells genauer zu untersuchen.