The Standard Model (SM) of particle physics gives a comprehensive description of numerous phenomena concerning the fundamental components of nature. Still, open questions and a clouded understanding of the underlying structure remain. Supersymmetry is a well motivated extension that may account for the observed density of dark matter in the universe and solve the hierarchy problem of the SM. The minimal supersymmetric extension of the SM (MSSM) provides solutions to these challenges. Furthermore, it predicts new particles in reach of current experiments. However, the model has its own theoretical challenges and is under fire from measurements provided by the Large Hadron Collider (LHC). Nevertheless, the concept of supersymmetry has an elegance which not only shines in the MSSM. Hence, it is also of interest to examine non-minimal supersymmetric models. They have benefits similar to the MSSM and may solve its shortcomings. R-symmetry is the only global symmetry allowed that does not commutate with supersymmetry and Lorentz symmetry. Thus, extending a supersymmetric model with R-symmetry is a theoretically well motivated endeavor to achieve the complete symmetry content of a field theory. Such a model provides a natural explanation for non-discovery in the early runs of the LHC and leads to further predictions distinct from those of the MSSM. The work described in this thesis contributes to the effort by studying the minimal R-symmetric supersymmetric extension of the SM (MRSSM). Important aspects of its physics and the dependence of observables on the parameter space of the MRSSM are investigated. The discovery of a scalar particle compatible with the Higgs boson of the SM at the LHC was announced in 2012. It is the first and crucial task of this thesis to understand the underlying mechanisms leading to the correct Higgs boson mass prediction in the MRSSM. Then, the relevant regions of parameter space are investigated and it is shown that they are also in agreement with other Higgs observables. Another observable that is measured with great accuracy and especially sensitive to corrections from additional supersymmetric states is the mass of the W boson. Contributing effects within the MRSSM are identified and their dependency on the model parameters is studied. The presence of a stable supersymmetric particle as candidate for dark matter is a prediction of the MRSSM. The interplay of the relevant processes generating the correct abundance of dark matter in the universe and explaining the non-discovery by direct searches is investigated. Moreover, results of Run 1 of the LHC are used to study the electroweak MRSSM sector. This leads to a classification of viable regions of parameter space consistent with dark matter and LHC constraints. In the last part of this thesis the different observables are analyzed in coherence. This allows to identify valid regions of parameter space and highlights promising predictions of the MRSSM for the coming runs of the LHC and other experiments. / Das Standardmodell (SM) der Elementarteilchenphysik liefert eine prägnante Beschreibung der Phänomene, welche die grundlegenden Bestandteile der Natur betreffen. Es verbleiben aber weiterhin offene Fragen und eine fehlende Einsicht in die zugrunde liegenden Strukturen. Supersymmetrie ist eine wohl begründete Erweiterung, welche es ermöglicht die beobachtete dunkle Materiedichte im Universum zu erklären und das Hierarchieproblem des SM zu lösen. Die minimale supersymmetrische Erweiterung des SM (MSSM) besitzt diese Eigenschaften. Darüber hinaus sagt es neue Teilchen in Reichweite aktueller Experimente vorher. Die eigenen theoretischen Herausforderungen des Modells und Einschränkungen durch Messungen am Large Hadron Collider (LHC) schränken es jedoch stark ein. Dennoch birgt das Konzept der Supersymmetrie eine Eleganz, die eine ansprechende Grundlage für weitere Modelle bietet. Daher ist es auch von Interesse, nicht-minimale supersymmetrische Modelle zu untersuchen. Diese bieten mit dem MSSM vergleichbare Vorteile und können dessen Diskrepanzen auflösen. R-Symmetrie ist die einzig mögliche globale Symmetrie, die nicht mit Super- und Lorentzsymmetrie kommutieren. Ein auf diese Weise konstruiertes Modell enthält somit alle grundlegenden Symmetrien einer Feldtheorie. Durch die Inklusion von R-Symmetrie können die bisherige Nichtentdeckung am LHC erklärt und vom MSSM unterscheidbare Vorhersagen gemacht werden. In dieser Arbeit wird die Untersuchung des minimale R-symmetrische supersymmetrische Erweiterung des SM (MRSSM). Wichtige Aspekte der Phänomenologie und die Abhängigkeit der Observablen von den Parametern des MRSSM werden untersucht. Die Entdeckung eines skalaren Teilchens kompatibel mit dem Higgs-Boson des SM am LHC wurde im Jahre 2012 bekannt gegeben. Die Untersuchung der zugrunde liegenden Mechanismen, welche die Masse des Higgs Bosons im MRSSM korrekt verwirklichen, ist Hauptbestandteil des erste Teils dieser Arbeit. Dabei wird der Parameterraum des Modells untersucht und gezeigt, dass auch Übereinstimmung mit weiteren Observablen der Higgsphysik möglich ist. Ein weitere wichtige Messgröße, welche mit hoher Genauigkeit bestimmt und empfindlich auf Beiträge supersymmetrischer Teilchen ist, ist die Masse des W Bosons. Beiträge innerhalb des MRSSM werden identifiziert und ihre Abhängigkeit von Modellparametern untersucht. Die Existenz eines stabilen supersymmetrischen Teilchens als Kandidat für dunkle Materie ist eine Vorhersage des MRSSM. Es wird untersucht, wie die relevanten Prozesse zusammenspielen, um die korrekte Dichte an dunkler Materie im Universum zu erzeugen und die Nichtentdeckung bei direkte Suche zu erklären. Des weiteren werden die ersten Ergebnisse des LHC verwendet, um den elektroschwachen Sektor des MRSSM zu untersuchen. Im letzten Teil dieser Arbeit wird das Zusammenspiel verschiedener Observablen analysiert. Auf diese Weise können erlaubte Parameterregionen festgestellt und Vorhersagen für zukünftige Experimente gemacht werden.

In this thesis the application of machine learning algorithms as a tool in the search for top squark is studied. Two neural network models are trained with simulated stop events as signal against dileptonic and semi-leptonic top pair production events as background. There is a substantial class imbalance between the number of signal and background samples that are used. The performance of the neural network models are compared to the performance of a cut and count method. None of the models outperform the standard cut and count method.

In dieser Arbeit entwickeln wir Rechenwerkzeuge zur Berechnung von Baum– und Einschleifensuperstringamplituden. Insbesondere stellen wir eine rekursive Methode zur Konstruktion kinematischer Faktoren für die Amplitude offener Superstrings auf Baumniveau bereit und präsentieren systematischeWerkzeuge, um die supersymmetrischen Auslöschungen in n-Boson- Zwei-Fermion Amplituden auf Einschleifenniveau des RNS Superstrings zu manifestieren. Für offene Superstringamplituden auf Baumniveau stellen wir vereinfachte Rekursionen für Mehrteilchensuperfelder vor, mit denen kinematische Teile von offenen Superstringamplituden auf Baumniveau konstruiert werden können. Wir diskutieren auch die Eichtransformationen, die ihre Lie-Symmetrien erzwingen, wie dies durch die Bern-Carrasco-Johansson-Dualität zwischen Farbe und Kinematik nahegelegt wird. Eine weitere Eichtransformation aufgrund von Harnad und Shnider soll die Theta-Expansion von Mehrteilchensuperfeldern vereinfachen und die Notwendigkeit umgehen, ihre Rekursionsrelationen über die niedrigsten Komponenten hinaus zu verwenden. Die Ergebnisse dieser Arbeit vereinfachen die Komponentenextraktion aus kinematischen Faktoren im reinen Spinor Superspace erheblich. Wir untersuchen dann masselose n-Punkt-Ein-Schleifen-Amplituden des offenen RNS Superstrings mit zwei externen Fermionen und bestimmen ihre Weltflächen-Integranden. Die beitragenden Korrelationsfunktionen, an denen Spin-1/2– und Spin-3/2-Operatoren aus den Fermionen-Vertices beteiligt sind, werden zu einer beliebigen Multiplizität ausgewertet. Darüber hinaus führen wir Techniken ein, um diese Korrelatoren über die Spinstrukturen derWeltflächen- Fermionen zu summieren, um alle Auslöschungen aufgrund der Supersymmetrie der Raumzeit zu manifestieren. Diese spinsummierten Korrelatoren können in Form von doppeltperiodischen Funktionen ausgedrückt werden, die aus der mathematischen Literatur über elliptische Multiple-Zeta-Werte bekannt sind. Unsere spinsummierten Korrelatoren an der Grenze des Modulraums sind auf kompakte Darstellungen von fermionischen Ein-Schleifen-Integranden für ambitwistorische Strings spezialisiert. / In this thesis, we develop computational tools to calculate tree and one-loop superstring amplitudes. In particular, we provide a recursive method to construct kinematic factors of tree level open superstring amplitudes and present systematic tools to manifest the supersymmetric cancellations in n-boson-two-fermion amplitudes at the one-loop order of the RNS superstring. For tree level open superstring amplitudes, we present simplified recursions for multiparticle superfields, which can be applied to construct kinematic parts of open superstring amplitudes at tree level. We also discuss the gauge transformations which enforce their Lie symmetries as suggested by the Bern-Carrasco-Johansson duality between color and kinematics. Another gauge transformation due to Harnad and Shnider is shown to streamline the theta-expansion of multiparticle superfields, bypassing the need to use their recursion relations beyond the lowest components. The findings of this work greatly simplify the component extraction from kinematic factors in pure spinor superspace. We then investigate massless n-point one-loop amplitudes of the open RNS superstring with two external fermions and determine their world-sheet integrands. The contributing correlation functions involving spin-1/2 and spin-3/2 operators from the fermion vertices are evaluated to any multiplicity. Moreover, we introduce techniques to sum these correlators over the spin structures of the world-sheet fermions, such as to manifest all cancellations due to spacetime supersymmetry. These spin-summed correlators can be expressed in terms of doubly-periodic functions known from the mathematics literature on elliptic multiple zeta values. On the boundary of moduli space, our spin-summed correlators specialize to compact representations of fermionic one-loop integrands for ambitwistor strings.

Cette thèse a pour but l'étude de théories diverses, toutefois interconnectées, décrivant la nouvelle physique au-delà du modèle standard de la physique des particules. Ces sont des théories d'un nouveau type de particules, les axions, d'un nouveau principe de symétrie, la supersymétrie, et d'une nouvelle description des degrés de liberté fondamentaux, la théorie des cordes. Les progrès instrumentaux et théoriques constamment fait au fil des ans ont confirmé que ces théories sont des candidates privilégiées pour une description de la physique au-delà du modèle standard.Les axions sont d'abord examinés et étudiés d'un point de vue phénoménologique: nous présentons des modèles qui désenchevêtrent les différentes échelles qui décrivent l'espace des paramètres des modèles d'axions, et nous discutons les axions présents dans des modèles de saveur. Inspirés par les recherches autour du swampland, nous nous imposons l'utilisation de symétries de jauge, et non globales, en tant que point de départ pour la construction de modèles.Notre intérêt se porte ensuite sur la supersymétrie. Nous étudions sa brisure, à la fois dans des modèles explicites dans l'ultraviolet qui génèrent une échelle de brisure de supersymétrie basse à partir de matière à haute échelle, et au niveau des théories effectives à l'aide de la supersymétrie non-linéaire. En ce qui concerne ce dernier thème, nous nous restreignons à l'approche des superchamps contraints. Enfin, nous présentons des solutions classiques exactes d'un modèle supersymétrique dont la portée est grande, le modèle de Wess-Zumino d'un superchamp chiral.Finalement, nous nous intéressons à la théorie des cordes. Nous calculons des spectres de cordes en guise d'illustration de la structure de la théorie et de point de départ pour le calcul d'amplitudes du vide à une boucle. Celles-ci nous permettent de tester l'une des conjectures du swampland, qui désigne la gravité comme la plus faible des forces, dans une configuration de théorie des cordes où la supersymétrie est brisée. Enfin, les axions en théorie des cordes sont analysés, en particulier lorsqu'ils sont chargés sous une symétrie de jauge abélienne anormale. / The aim of this thesis is to study various but interconnected theories for new physics beyond the standard model of particle physics. Those are theories of a new kind of particles, axions, a new symmetry principle, supersymmetry, and a new description of fundamental degrees of freedom, string theory. Constant instrumental and theoretical progresses made over the years maintain those already old subjects as leading BSM candidates.Axions are first reviewed and studied from a phenomenological perspective: we present models which disentangle the different scales which define the axion parameter space, and we discuss axions which arise in models of flavour physics. Motivated by swampland considerations, we insist on using gauge, and not global, symmetries as model building inputs.The focus then shifts to supersymmetry. We study its breaking, both in explicit ultraviolet models which generate a low supersymmetry breaking scale from high-scale matter, and at the effective field theory level using non-linearly realized supersymmetry. In our study of the latter topic, we focus on the constrained superfield approach. Finally, we present exact classical solutions of a supersymmetric model with broad application scope, the Wess-Zumino model of a chiral superfield.Last, we discuss string theory. We compute string spectra as illustrations of the structure of the theory and as starting points to compute one-loop vacuum amplitudes. Those are used to understand supersymmetry breaking in string theory, as well as brane interactions. Then, the latter enable us to test one of the swampland criteria, the weak gravity conjecture, in a string theory setup with broken supersymmetry. Finally, axions in string theory are scrutinized, in particular when they are charged under an anomalous abelian factor of the gauge group.

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In this thesis we employ string perturbation theory in toroidal orbifold models to study aspects of supersymmetry breaking in type IIB string theory. First, we determine the dependence of physical Yukawa couplings on blow-up moduli in models with D3-branes at orbifold singularities. Blow-up moduli are scalar fields describing the size of small blow-up cycles in the compactification geometry. In models implementing moduli stabilisation these fields can acquire F-terms and break supersymmetry. We examine the moduli-dependence of physical Yukawa couplings at string tree-level by computing disk correlation functions involving a Yukawa interaction of visible sector fields and an arbitrary number of blow-up moduli. We perform the calculation for one blow-up insertion explicitly and find that the correlation function vanishes if the blow-up modulus is associated with a small cycle distant to the visible sector. For more than one blow-up insertion we show that all such correlation functions are exponentially suppressed by the compactification volume. We explain how these results are relevant to suppressing soft terms to scales parametrically below the gravitino mass. Further, we determine corrections to holomorphic Yukawa couplings on D3-branes at an orbifold singularity due to non-perturbative effects such as gaugino condensation on a stack of D7-branes. This can be done by calculating a one-loop threshold correction to the gauge coupling on the D7-branes. We show that, if present, the new contributions to Yukawa couplings are not aligned with the tree-level couplings. As the new Yukawa couplings contribute to soft A-terms they are sources of flavour-changing neutral currents. Last we discuss an effect unrelated to supersymmetry breaking. We show that orbifold models with D3-branes at orbifold singularities can exhibit kinetic mixing of different massless Abelian factors. For this to be possible, the relevant U(1) factors have to be associated with more than one orbifold singularity.

The Standard Model of particle physics is a successful theory, yet it is incomplete. Supersymmetry is one of the favoured extensions of the Standard Model, elegantly addressing several unresolved issues. This thesis presents a search for the pair production of supersymmetric particles chargino one and neutralino two, where the neutralino two decays to the lightest neutralino and the 125 GeV Higgs boson. The final states considered for the search have large missing transverse momentum, an isolated lepton and two jets identified as originating from bottom quarks. The analysis is based on 20.3 inverse femtobarns of 8 TeV proton-proton collision data delivered by the Large Hadron Collider and recorded with the ATLAS detector. No excess over Standard Model predictions is observed. The analysis has been combined with three independent searches that probe other decay modes of the Standard Model Higgs boson. Limits are set at 95% confidence level in the context of a simplified supersymmetric model. Common masses of chargino one and neutralino two are excluded up to 250 GeV for a massless neutralino one. The analysis of this dissertation has been reinterpreted in the context of a large scan of the phenomenological Minimal Supersymmetric Standard Model, along with 22 other ATLAS Run 1 searches. The resulting summary paper represents the most comprehensive assessment of the ATLAS constraints on Supersymmetry models to date. / Graduate / 0798 / cdavid@uvic.ca