The search for the neutrinoless double beta (0nbb) decay is one of the most active fields in modern particle physics. This process is not allowed within the Standard Model and its observation would imply lepton number violation and would lead to the Majorana nature of neutrinos. The experimentally observed quantity is the half-life of the decay, which can be connected to the effective Majorana neutrino mass via nuclear matrix elements. The latter can only be determined theoretically and are currently affected by large uncertainties. To reduce these uncertainties one can investigate the well established two-neutrino double beta (2nbb) decay into the ground and excited states of the daughter isotope. These similar processes are allowed within the Standard Model. In this dissertation, the search for 2nbb decays into excited states is performed in Pd-110, Pd-102 and Ge-76. Three gamma spectroscopy setups at the Felsenkeller (Germany), HADES (Belgium) and LNGS (Italy) underground laboratories are used to search for the transitions in Pd-110 and Pd-102. No signal is observed leading to lower half-live bounds (90% C.I.) of 2.9e20 yr, 3.9e20 yr and 2.9e20 yr for the 0/2nbb 2p1, 0p1 and 2p2 transitions in Pd-110 and 7.9e18 yr, 9.2e18 yr and 1.5e19 yr for the 0/2nbb 2p1, 0p1 and 2p2 transitions in Pd-102, respectively. This is a factor of 1.3 to 3 improvement compared to previous limits. The data of Phase I (Nov 2011 - May 2013) of the 0nbb decay experiment GERDA at LNGS is used to search for excited state transitions in Ge-76. The analysis is based on coincidences between two detectors and finds no signal. Lower half-life limits (90 % C.L.) of 1.6e23 yr, 3.7e23 yr and 2.3e23 yr are obtained for the 2nbb 2p1, 0p1 and 2p2 transitions, respectively. These limits are more than two orders of magnitude larger than previous ones and could exclude many old matrix element calculations. In addition to the excited state searches, important measurements and improvements for GERDA Phase II upgrades are performed within this dissertation. 30 new BEGe detectors are characterized for their surface and active volume properties which is an essential ingredient for all future physics analyses in GERDA. These precision measurements reduce the systematic uncertainty of the active volume to a subdominant level. In extension to this, a new model for simulating pulse shapes of n+ electrode surface events is developed. With this model it is demonstrated that the dominant background of K-42 on the detector surfaces can be suppressed by a factor of 145 with an A/E pulse shape cut in Phase II. A further suppression of background is obtained by a liquid argon scintillation light veto. With newly developed Monte Carlo simulations, including the optical scintillation photons, it is demonstrated that Tl-208 in the detectors holders can be suppressed by a factor of 134. K-42 homogeneously distributed in the LAr can be suppressed with this veto in combination with pulse shape cuts by a factor of 170 for BEGe detectors. The characterization measurements and the developed simulation tools presented within this dissertation will help to enhance the sensitivity for all 0/2nbb decay modes and will allow to construct an improved background model in GERDA Phase II. / Die Suche nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall (0nbb) ist eines der aktivsten Felder der modernen Teilchenphysik. Der Zerfall setzt die Verletzung der Leptonenzahl voraus und hätte die Majorananatur des Neutrinos zur Folge. Die durch eine Beobachtung bestimmbare Halbwertszeit des Zerfalls ermöglicht, über ein nukleares Matrixelement, Zugang zur effektiven Majorananeutrinomasse. Die größten Unsicherheiten gehen dabei auf das Matrixelement zurück, welches nur durch verschiedene, teilweise stark voneinander abweichende theoretische Modelle zugänglich ist. Eine Möglichkeit diese Unsicherheiten zu reduzieren bieten genaue Studien des im Standardmodel erlaubten neutrinobegleiteten Doppelbetazerfalls (2nbb) in angeregte Zustände des Tochterkerns. In dieser Dissertation wird der 2nbb-Zerfall der Nuklide Pd-110, Pd-102 und Ge-76 in angeregte Zustände untersucht. Die Untersuchungen von Pd-110 und Pd-102 wurden in drei umfangreichen Gammaspektroskopie-Experimenten in den Untergrundlaboren Felsenkeller (Deutschland), HADES (Belgien) und LNGS (Italien) durchgefürt. Es wurde kein Signal beobachtet und damit die weltweit besten unteren Grenzen für die Halbwertszeit dieser Zerfälle festgesetzt: 2,9e20 yr, 3,9e20 yr und 2,9e20 yr für die 0/2nbb 2p1, 0p1 und 2p2 Übergänge in Pd-110 and 7,9e18 yr, 9,2e18 yr und 1,5e19 yr für die 0/2nbb 2p1, 0p1 und 2p2 Übergänge in Pd-102 (90% C.I.). Dies ist eine 1,3 bis 3-fache Verbesserung gegenüber den vorher bekannten Grenzen. Die Untersuchung des 2nbb-Zerfalls in Ge-76 basiert auf Daten aus Phase I (Nov. 2011 - Mai 2013) des 0nbb-Zerfall Experiments GERDA. Mit der auf koinzidenten Ereignissen basierten Analyse konnte kein Signal beobachtet werden und folgende untere Grenzen für die Halbwertszeit der 2nbb 2p1, 0p1 und 2p2 Übergänge wurden festgelegt: 1,6e23 yr, 3,7e23 yr und 2,3e23 (90% C.L.). Diese 100-fache Verbesserung gegenüber den bisher bekannten Grenzen widerlegt eine Vielzahl älterer, zur Verfügung stehender Matrixelemente. Zusätzlich wurden im Rahmen dieser Dissertation für die Erweiterungen des GERDA Experiments zur Phase II wichtige Messungen durchgeführt und Verbesserungen entwickelt. 30 neu produzierte BEGe Detektoren wurden hinsichtlich ihrer Oberflächeneigenschaften sowie ihrer aktiven Volumina charakterisiert. Diese Präzisisionsmessungen sind für alle zukünftigen Analysen in GERDA notwendig und erlauben die entsprechenden systematischen Unsicherheiten auf ein subdominantes Niveau zu reduzieren. Erweiternd wurde ein neues Model zur Beschreibung der n+ Elektrode entwickelt, welches erstmals erlaubt die Pulsform von Oberflächeninteraktionen zu simulieren. Mithilfe dieses Models konnte demonstriert werden, dass der in Oberflächeninteraktionen begründete und in GERDA dominante Messuntergrund von K-42 auf der Detektoroberfläche durch Pulsformanalyse um das 145-fache unterdrückt werden kann. Eine weitere Untergrundreduzierung wird durch ein Flüssigargon Szintillationsveto erreicht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden vorhandene Monte Carlo Simulationen um den Transport von optischen Photonen erweitert und die 134-fache Unterdrückung des Tl-208 Untergrundes demonstriert. Die Ergebnisse dieser Arbeit helfen eine deutliche Sensitivitätsverbesserung für die zuküntige Suche nach dem 0/2nbb-Zerfall zu erzielen und erlauben die Erstellung eines präziseren Untergrundmodels in GERDA Phase II.

The search for the neutrinoless double beta (0nbb) decay is one of the most active fields in modern particle physics. This process is not allowed within the Standard Model and its observation would imply lepton number violation and would lead to the Majorana nature of neutrinos. The experimentally observed quantity is the half-life of the decay, which can be connected to the effective Majorana neutrino mass via nuclear matrix elements. The latter can only be determined theoretically and are currently affected by large uncertainties. To reduce these uncertainties one can investigate the well established two-neutrino double beta (2nbb) decay into the ground and excited states of the daughter isotope. These similar processes are allowed within the Standard Model. In this dissertation, the search for 2nbb decays into excited states is performed in Pd-110, Pd-102 and Ge-76. Three gamma spectroscopy setups at the Felsenkeller (Germany), HADES (Belgium) and LNGS (Italy) underground laboratories are used to search for the transitions in Pd-110 and Pd-102. No signal is observed leading to lower half-live bounds (90% C.I.) of 2.9e20 yr, 3.9e20 yr and 2.9e20 yr for the 0/2nbb 2p1, 0p1 and 2p2 transitions in Pd-110 and 7.9e18 yr, 9.2e18 yr and 1.5e19 yr for the 0/2nbb 2p1, 0p1 and 2p2 transitions in Pd-102, respectively. This is a factor of 1.3 to 3 improvement compared to previous limits. The data of Phase I (Nov 2011 - May 2013) of the 0nbb decay experiment GERDA at LNGS is used to search for excited state transitions in Ge-76. The analysis is based on coincidences between two detectors and finds no signal. Lower half-life limits (90 % C.L.) of 1.6e23 yr, 3.7e23 yr and 2.3e23 yr are obtained for the 2nbb 2p1, 0p1 and 2p2 transitions, respectively. These limits are more than two orders of magnitude larger than previous ones and could exclude many old matrix element calculations. In addition to the excited state searches, important measurements and improvements for GERDA Phase II upgrades are performed within this dissertation. 30 new BEGe detectors are characterized for their surface and active volume properties which is an essential ingredient for all future physics analyses in GERDA. These precision measurements reduce the systematic uncertainty of the active volume to a subdominant level. In extension to this, a new model for simulating pulse shapes of n+ electrode surface events is developed. With this model it is demonstrated that the dominant background of K-42 on the detector surfaces can be suppressed by a factor of 145 with an A/E pulse shape cut in Phase II. A further suppression of background is obtained by a liquid argon scintillation light veto. With newly developed Monte Carlo simulations, including the optical scintillation photons, it is demonstrated that Tl-208 in the detectors holders can be suppressed by a factor of 134. K-42 homogeneously distributed in the LAr can be suppressed with this veto in combination with pulse shape cuts by a factor of 170 for BEGe detectors. The characterization measurements and the developed simulation tools presented within this dissertation will help to enhance the sensitivity for all 0/2nbb decay modes and will allow to construct an improved background model in GERDA Phase II. / Die Suche nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall (0nbb) ist eines der aktivsten Felder der modernen Teilchenphysik. Der Zerfall setzt die Verletzung der Leptonenzahl voraus und hätte die Majorananatur des Neutrinos zur Folge. Die durch eine Beobachtung bestimmbare Halbwertszeit des Zerfalls ermöglicht, über ein nukleares Matrixelement, Zugang zur effektiven Majorananeutrinomasse. Die größten Unsicherheiten gehen dabei auf das Matrixelement zurück, welches nur durch verschiedene, teilweise stark voneinander abweichende theoretische Modelle zugänglich ist. Eine Möglichkeit diese Unsicherheiten zu reduzieren bieten genaue Studien des im Standardmodel erlaubten neutrinobegleiteten Doppelbetazerfalls (2nbb) in angeregte Zustände des Tochterkerns. In dieser Dissertation wird der 2nbb-Zerfall der Nuklide Pd-110, Pd-102 und Ge-76 in angeregte Zustände untersucht. Die Untersuchungen von Pd-110 und Pd-102 wurden in drei umfangreichen Gammaspektroskopie-Experimenten in den Untergrundlaboren Felsenkeller (Deutschland), HADES (Belgien) und LNGS (Italien) durchgefürt. Es wurde kein Signal beobachtet und damit die weltweit besten unteren Grenzen für die Halbwertszeit dieser Zerfälle festgesetzt: 2,9e20 yr, 3,9e20 yr und 2,9e20 yr für die 0/2nbb 2p1, 0p1 und 2p2 Übergänge in Pd-110 and 7,9e18 yr, 9,2e18 yr und 1,5e19 yr für die 0/2nbb 2p1, 0p1 und 2p2 Übergänge in Pd-102 (90% C.I.). Dies ist eine 1,3 bis 3-fache Verbesserung gegenüber den vorher bekannten Grenzen. Die Untersuchung des 2nbb-Zerfalls in Ge-76 basiert auf Daten aus Phase I (Nov. 2011 - Mai 2013) des 0nbb-Zerfall Experiments GERDA. Mit der auf koinzidenten Ereignissen basierten Analyse konnte kein Signal beobachtet werden und folgende untere Grenzen für die Halbwertszeit der 2nbb 2p1, 0p1 und 2p2 Übergänge wurden festgelegt: 1,6e23 yr, 3,7e23 yr und 2,3e23 (90% C.L.). Diese 100-fache Verbesserung gegenüber den bisher bekannten Grenzen widerlegt eine Vielzahl älterer, zur Verfügung stehender Matrixelemente. Zusätzlich wurden im Rahmen dieser Dissertation für die Erweiterungen des GERDA Experiments zur Phase II wichtige Messungen durchgeführt und Verbesserungen entwickelt. 30 neu produzierte BEGe Detektoren wurden hinsichtlich ihrer Oberflächeneigenschaften sowie ihrer aktiven Volumina charakterisiert. Diese Präzisisionsmessungen sind für alle zukünftigen Analysen in GERDA notwendig und erlauben die entsprechenden systematischen Unsicherheiten auf ein subdominantes Niveau zu reduzieren. Erweiternd wurde ein neues Model zur Beschreibung der n+ Elektrode entwickelt, welches erstmals erlaubt die Pulsform von Oberflächeninteraktionen zu simulieren. Mithilfe dieses Models konnte demonstriert werden, dass der in Oberflächeninteraktionen begründete und in GERDA dominante Messuntergrund von K-42 auf der Detektoroberfläche durch Pulsformanalyse um das 145-fache unterdrückt werden kann. Eine weitere Untergrundreduzierung wird durch ein Flüssigargon Szintillationsveto erreicht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden vorhandene Monte Carlo Simulationen um den Transport von optischen Photonen erweitert und die 134-fache Unterdrückung des Tl-208 Untergrundes demonstriert. Die Ergebnisse dieser Arbeit helfen eine deutliche Sensitivitätsverbesserung für die zuküntige Suche nach dem 0/2nbb-Zerfall zu erzielen und erlauben die Erstellung eines präziseren Untergrundmodels in GERDA Phase II.

The discovery of the Higgs boson by the LHC provided the last piece of the puzzle neces- sary for the Standard Model (SM) to be a successful theory of electroweak scale physics. However there exist various phenomenological reasons which serve as pointer towards the existence of physics beyond the Standard Model. For example the explanation for the smallness of the neutrino mass, baryon asymmetry of the universe, the presence of dark matter and dark energy etc. are not within purview of the Standard Model. Con- ceptual issues like the gauge hierarchy problem, weakness of gravity provide some of the theoretical motivation to pursue theories beyond the SM. We consider scenarios with warped extra-dimensions (Randall-Sundrum (RS) Model ) as our preferred candidate to answer some of the questions raised above. RS model gives an elegant geometric solution to address the hierarchy between the two fundamental scales of nature i.e. Planck scale and electroweak scale. In addition to this, the geometry of RS serves as a useful setup wherein the fermion mass hierarchy problem can also be solved. The goal of this thesis is to investigate whether RS model can be an acceptable theory of avour while at the same time serving as a solution to the hierarchy problem. In Chapter[1] we begin with a brief introduction of the SM, highlighting issues which pro- vides the necessary motivation for constructing new physics models. Various candidates of Beyond Standard Model (BSM) physics are introduced and a few preliminaries es- sential to understand frameworks with additional spatial-dimensions ( at and warped) is provided. In Chapter[2] we specialize to the case of warped extra-dimensions and motivate the need to have the SM elds in the bulk. Mathematical details related to the analysis of various spin elds (0; 12; 1 and 2) in a warped background necessary to understand relevant phenomenology is provided. The lack of knowledge of Dirac or Majorana nature of the neutrino leads to a wide variety of possibilities as far as neutrino mass generation is concerned. In Chapter[3] we focus on the leptonic sector where three cases of neutrino mass generation are consid- ered: a)Planck Scale lepton number violation (LLHH case) b) Dirac neutrinos c) Bulk Majorana mass terms. We then study the implications of each case on the charged lepton mass tting. The case with Planck scale lepton number violation in normal RS scenario requires large and negative values for the bulk mass parameters for the charged singlets cE. Dirac neutrinos and the case with Bulk Majorana mass terms give good t to data. For completeness, the ts for the hadronic sector is provided in the appendix. In Chapter[4] avour violation for each of three cases introduced in Chapter[3] is studied. For the case with Planck scale lepton number violation, the non-perturbative Yukawa coupling between the SM singlets and the KK states render the higher order diagrams incalculable. Lepton avour violation (LFV) is particularly large for the Dirac case and the bulk Majorana case for low Kaluza-Klein(KK) mass scales. We then invoke the ansatz of Minimal Flavour violation to suppress LFV with low lying KK scales and examples of avour group is provided for both cases. In Chapter[5] we present an example with a type II two Higgs doublet model applied to the LLHH case. The setup o ers a solution where LLHH scenario can be consistently realized in RS model, where the masses and mixing angles in the leptonic sector can bet with O(1) choice of bulk parameters. Assumption of global lepton number conservation (like in Dirac neutrinos) could lead to problems in theories of quantum gravity where it does not hold. This leads us to the question whether Dirac neutrinos can be naturally realized in nature. In Chapter[6] we consider the special case of bulk Majorana mass encountered in Chapter[3] where the bulk Dirac mass terms for the right handed neutrino is set to zero. We nd that this leads to a case where the e ective zero mode neutrino mass is of Dirac type with negligible e ects from the tower of Majorana states. In Chapter[7] we consider RS at the GUT scale which no longer serves as a solution to the hierarchy problem. SUSY is introduced in the bulk and the low energy SUSY serves as a solution to the hierarchy problem. Such models serve as a useful alternative to SUSY models with family symmetries (e.g. Froggatt-Nielsen Model). However the solutions to the Yukawa hierarchy problem are constrained due to anomaly cancellation conditions. In Chapter[8] supersymmetry breaking due to radion mediation in addition to brane localized sources is considered and detailed analysis of the running of soft masses and the low energy avour observables is considered for both cases separately. In Chapter[9] we conclude and present future directions.