Seit der Popularisierung durch Randall/Sundrum (RS) vor etwa 10 Jahren, und insbesondere in Verbindung mit der $AdS/CFT$-Korrespondenz, ist der Einsatz von gekrümmten Raumzeithintergründen mit Extradimensionen (insb. des $AdS_5$) eine der fruchtbarsten neuen Ideen bei der Suche nach Modellen jenseits des Standardmodells (SM). Dieser Ansatz brachte nicht nur frische Einsichten in die Physik stark wechselwirkender Feldtheorien, die zuvor störungstheoretischen Methoden verschlossen waren, sondern schaffte auch einen faszinierenden neuen Zusammenhang zwischen phänomenologi-schen Modellen an der TeV-Skala und der Gravitation. Dies hat unter anderem auch das Interesse an Modellen der elektroschwachen Symmetriebrechung ohne physikalische Skalarfelder (Higgslose Modelle'') in diesem Kontext mit dem Ziel neu aufleben lassen, Alternativen zu dem im Standardmodell der Teilchenphysik enthaltenen Higgs-Mechanismus zu finden. Bei der Umsetzung dieser Ideen lag das Hauptaugenmerk meisst auf potentiellen neuen Beträgen zu elektroschwachen Präzisionsobservablen. Gleichzeitig gibt es jedoch sehr starke astrophysikalische Indizien dafür dass die Antwort auf die Frage nach dem Ursprung der beobachteten Dunkelmaterie in Teilchenmodellen jenseits des Standardmodells zu finden ist. Die Natur der elektroschwachen Symmetriebrechung und der Dunkelmaterie gehören zu den zentralen Fragen deren Beantwortung dank aktueller und anstehender Experimente z.B. an Beschleunigern wie dem Tevatron wie auch in naher Zukunft am LHC in greifbare Nähe rückt. Diese Situation legt nahe dass neue Szenarien jenseits des Standardmodells beide Fragestellungen gleicherma\ss en thematisieren sollten. In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir die phänomenologischen Implikationen einer Erweiterung Higgsloser Modelle in 5D um Supersymmetrie mit erhaltener R-Parität im elektroschwachen Symmetriebrechungssektor. Das Ziel war, eine möglichst einfache Erweiterung zu finden, die ein realistisches leichtes Spektrum aufweist und gleichzeitig einen guten Kandidaten für kalte Dunkelmaterie enthält, ohne zu viele freie Parameter einzuführen. Um dies zu bewerkstelligen, bot sich der gleiche Mechanismus an, der bereits für die Brechung der Eichsymmetrien zum Einsatz kommt, nämlich die Brechung durch Randbedingungen. Während Supersymmetrie in 5D vier Superladungen beinhaltet und somit eng mit $\mathcal{N}=2$ Supersymmetrie in 4D verwandt ist, wird allein durch den RS-Hintergrund die Hälfte der Symmetrien gebrochen, so dass nach der Kaluza-Klein-Reduktion lediglich eine erhaltene Supersymmetrie verbleibt. Davon ausgehend war das einfachste gangbare Szenario, die Brechung der verbleibenden Generatoren effektiv durch Randbedingungen auf der UV-Brane der RS-Raumzeit zu beschreiben. Obwohl hierdurch Teile des leichten SUSY-Spektrums, insb. die Superpartner der Fermionen, ausprojeziert werden, verbleibt die reichhaltige Phänomenologie von vollständigen $\mathcal{N}=2$-Multiplets im Kaluza-Klein-Sektor. Das leichte erweiterte Spektrum besteht aus den Superpartnern der elektroschwachen Eichbosonen, die Massen um $\mathcal{O}(100\mbox{ GeV})$ erhalten. Die Neutralinos als Masseneigenzustände des neutralen Bino-Wino-Sektors sind automatisch die leichtesten Supersymmetrischen Teilchen (LSP) und damit natürliche Kandidaten für kalte Dunkelmaterie. Ihre Reliktdichte kann ohne exzessive Feineinstellung von Parametern in Einklang mit Beobachtungen gebracht werden. Das Modell sagt somit eine leichte NLSP-Masse im Bereich $m_{\chi^+}\approx 100\dots 110$ GeV und einen LSP bei etwa $m_\chi\approx 90$ GeV voraus. Am LHC hat der nicht-supersymmetrische Teilcheninhalt des Modells weitestgehend die gleichen phänomenologischen Konsequenzen wie sie bereits von Studien Higgsloser Modelle bekannt sind. Wir haben uns daher auf die Produktion des LSP und NLSP am LHC als typische Signatur des erweiterten Modells konzentriert, und insbesondere Monte-Carlo-Simulationen mit \nameomega/\namewhizard~zur Beobachtung von fehlender transversaler Energie ($\ptmiss$) in Assoziation mit schweren Quarks durchgeführt. Wir diskutieren geeignete Schnitte auf Winkel, invariante Massen und Impulse, und erhalten Hadronische Produktionsquerschnitte von $\sigma>100\mbox{ fb}$ bei $14\mbox{ TeV}$, die charakteristische $\ptmiss$-Verteilungen im $\chi\chi t\overline{t}$ Endzustand aufweisen. Der Nachweis über die Produktion von $b$-Paaren erweist sich als schwieriger. Unsere Ergebnisse legen nahe dass die Entdeckung dieses Typs von Dunkelmaterie in Higgslosen Modellen am LHC über fehlende transversale Energie mit wenigen fb$^{-1}$ bei 14 TeV möglich ist, insofern eine zuverlässige Identifikation schwerer Quarks gegeben ist. / Since its popularization due to Randall and Sundrum (RS) one decade ago, and in connection with the $AdS/CFT$ correspondence in particular, 5D warped background spacetime has been one of the most fruitful new ideas in physics beyond the standard model (SM), leading to new insights into symmetry breaking and the properties of strongly interacting theories inaccessible to direct perturbative calculations, while at the same time relating gravity to phenomenological model building. This has, among others, led to a renewed interest in models of electroweak symmetry breaking without physical scalar fields in the guise of so-called 'warped higgsless' models, which could provide an alternative to the famed Higgs mechanism of electroweak symmetry breaking which is part of the Standard Model of particle physics. However, little emphasis was put on reconciling these models with the strong evidence from astrophysical observations that one or several new, as yet unknown, stable particle species exist which form the cold dark matter content of the universe. The nature of dark matter and electroweak symmetry breaking are among the most prominent puzzles subject to experimental scrutiny at the Tevatron, direct search experiments, and in the near future at the LHC, which compels us the believe that both issues should be addressed together in any alternative scenario beyond the Standard Model. In this thesis we have investigated phenomenological implications which arise for cosmology and collider physics when the electroweak symmetry breaking sector of warped higgsless models is extended to include warped supersymmetry with conserved $R$ parity. The goal was to find the simplest supersymmetric extension of these models which still has a realistic light spectrum including a viable dark matter candidate. To accomplish this, we have used the same mechanism which is already at work for symmetry breaking in the electroweak sector to break supersymmetry as well, namely symmetry breaking by boundary conditions. While supersymmetry in five dimensions contains four supercharges and is therefore directly related to 4D $\mathcal{N}=2$ supersymmetry, half of them are broken by the background leaving us with ordinary $\mathcal{N}=1$ theory in the massless sector after Kaluza-Klein expansion. We thus use boundary conditions to model the effects of a breaking mechanism for the remaining two supercharges. The simplest viable scenario to investigate is a supersymmetric bulk and IR brane without supersymmetry on the UV brane. Even though parts of the light spectrum are effectively projected out by this mechanism, we retain the rich phenomenology of complete $\mathcal{N}=2$ supermultiplets in the Kaluza-Klein sector. While the light supersymmetric spectrum consists of electroweak gauginos which get their $\mathcal{O}(100\mbox{ GeV})$ masses from IR brane electroweak symmetry breaking, the light gluinos and squarks are projected out on the UV brane. The neutralinos, as mass eigenstates of the neutral bino-wino sector, are automatically the lightest gauginos, making them LSP dark matter candidates with a relic density that can be brought to agreement with WMAP measurements without extensive tuning of parameters. For chargino masses close to the experimental lower bounds at around $m_{\chi^+}\approx 100\dots 110$ GeV, the dark matter relic density points to LSP masses of around $m_\chi\approx 90$ GeV. At the LHC, the standard particle content of our model shares most of the key features of known warped higgsless models. We have performed Monte Carlo simulations of warped higgsless LSP and NLSP production at a benchmark point using \nameomega/\namewhizard, concentrating on $\ptmiss$ in association with third generation quarks. After background reduction cuts on the quark momenta and angles, we get hadronic cross sections of $\sigma>100\mbox{ fb}$ at $14\mbox{ TeV}$ with characteristic $\ptmiss$ distributions for $\chi\chi t\overline{t}$ final states, while the final states with $b\overline{b}$ pairs have much lower event rates and shapes which are hard to discern in experiments. Our results suggest that the discovery of warped higgsless LSP dark matter at the LHC via missing energy is within reach for the first few $\mbox{ fb}^{-1}$ at $14$ TeV if $b$ and in particular $t$ identification is reliable.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:3936 |
| Date | January 2009 |
| Creators | Knochel, Alexander Karl |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0029 seconds