The standard model (SM) of particle physics is for the last three decades a very successful description of the properties and interactions of all known elementary particles. Currently, it is again probed with the first collisions at the Large Hadron Collider (LHC). It is widely expected that new physics will be detected at the LHC and the SM has to be extended. The most exhaustive analyzed extension of the SM is supersymmetry (SUSY). SUSY can not only solve intrinsic problems of the SM like the hierarchy problem, but it also postulates new particles which might explain the nature of dark matter in the universe. The majority of all studies about dark matter in the framework of SUSY has focused on the minimal supersymmetric standard model (MSSM). The aim of this work is to consider scenarios beyond that scope. We consider two models which explain not only dark matter but also neutrino masses: the gravitino as dark matter in gauge mediated SUSY breaking (GMSB) with bilinear broken $R$-parity as well as different seesaw scenarios with the neutralino as dark matter candidate. Furthermore, we also study the next-to-minimal supersymmetric standard model (NMSSM) which solves the \(\mu\)-problem of the MSSM and discuss the properties of the neutralino as dark matter candidate. In case of $R$-parity violation, light gravitinos are often the only remaining candidate for dark matter in SUSY because of their very long life time. We reconsider the cosmological gravitino problem arising for this kind of models. It will be shown that the proposed solution for the overclosure of the universe by light gravitinos, namely the entropy production by decays of GMSB messenger, just works in a small subset of models and in fine-tuned regions of the parameter space. This is a consequence of two effects so far overlooked: the enhanced decay channels in massive vector bosons and the impact of charged messenger particles. Both aspects cause an interplay between different cosmological restrictions which lead to strong constraints on the parameters of GMSB models. Afterwards, a minimal supergravity (mSugra) scenario with additional chiral superfields at high energy scales is considered. These fields are arranged in complete $SU(5)$ multiplets in order to maintain gauge unification. The new fields generate a dimension 5 operator to explain neutrino data. Furthermore, they cause large differences in mass spectrum of MSSM fields because of the different evaluation of the renormalization group equations what changes also the properties of the lightest neutralino as dark matter candidate. We discuss the parameter space of all three possible seesaw scenarios with respect to dark matter and the impact on rare lepton flavor violating processes. As we will see, especially in seesaw type~III but also in type~II the mass spectrum and regions of parameter space consistent with dark matter differ significantly in comparison to a common mSugra scenario. Moreover, the experimental bounds, in particular of branching ratios like \(l_i \rightarrow l_j \gamma\), cause large constraints on the seesaw parameters. / Das Standardmodell der Teilchenphysik ist seit drei Jahrzehnten eine überaus erfolgreiche \linebreak Beschreibung der Eigenschaften und Wechselwirkungen der bekannten Elementarteilchen. Derzeit wird es durch die ersten Kollisionen des Large Hadron Colliders (LHC) erneut auf die Probe gestellt. Es wird weitläufig erwartet, dass am LHC neue Physik entdeckt wird und somit das \linebreak Standardmodell erweitert werden muss. Die am meisten untersuchte Erweiterung des\linebreak Standardmodells ist Supersymmetrie (SUSY). In SUSY können nicht nur intrinsische Probleme des Standardmodells wie das Hierarchieproblem gelöst werden, sondern es werden auch Teilchen postuliert, welche die gemessene Dunkle Materie im Universum erklären können. Der Gro{\ss}teil der bisherigen Studien über Dunkle Materie in SUSY hat sich hierbei auf die minimale supersymmetrische Erweiterung des Standardmodells, das MSSM, beschränkt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Szenarien zu betrachten, die darüber hinaus gehen. Hierbei handelt es sich um zwei Modelle, mit denen auch Neutrinomassen erklärt werden können: Das Gravitino als Dunkle Materie im Rahmen von Gauge Mediated SUSY Breaking (GMSB) mit $R$-Paritätsverletzung sowie Seesaw-Modelle mit einem Neutralino als leichtestem SUSY Teilchen. Weiterhin betrachten wir das "Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model" (NMSSM), welches das \(\mu\)-Problem des MSSM löst, und diskutieren dort das leichteste Neutralino als Dunkle Materie Kandidaten. \\ Im Rahmen von leichten Gravitinos als Dunkle Materie wird das kosmologische Gravitino Problem betrachtet. Es wird gezeigt, dass die in der Literatur vorgeschlagene Lösung gegen die Überbevölkerung des Universums durch solche Gravitinos, nämlich die Entropieproduktion durch Zerfälle der GMSB-Messenger, nur in ausgewählten Modellen und kleinen Regionen des Parameterraums funktioniert. Die Ursache hierfür sind zwei Faktoren, die bislang außer Acht gelassen wurden: Mögliche Zerfälle der neutralen Messenger in massive Vektorbosonen sowie der Einfluss geladener Messenger. Beide Aspekte bewirken zusammen ein Wechselspiel von verschiedenen, kosmologischen Randbedingungen, welches zu starken Bedingungen an die zu Grunde liegenden Parameter führt.\\ Als nächstes werden Modelle im Rahmen minimaler Supergravitation (mSugra) untersucht, welche bei sehr hohen Energien über zusätzliche chirale Superfelder verfügen. Diese zusätzlichen Teilchen sind in kompletten $SU(5)$ Multiplets angeordnet, um Eichvereinheitlichung nicht zu gefährden. Die neuen Teilchen erzeugen durch den so genannten Seesaw-Mechanismus einen Dimension~5 Operator, welcher Neutrinodaten erklären kann. Darüber hinaus erzeugen sie aber durch das geänderte Laufen der Renormierungsgruppengleichungen Unterschiede im Massenspektrum der SUSY Teilchen, was natürlich auch die Eigenschaften des Neutralinos als Dunkle Materie Kandidaten verändert. Wir diskutieren den Parameterraum aller drei möglichen Seesaw-Szenarien im Hinblick auf Dunkle Materie sowie die Auswirkungen auf Leptonflavor verletzende Prozesse. Wir werden sehen, dass insbesondere in Typ~III aber auch in Typ~II sowohl große Unterschiede im Massenspektrum als auch in den Parameterbereichen, welche konsistent mit Dunkler Materie sind, im Vergleich zu einem gewöhnlichen mSugra-Szenario bestehen. Darüber hinaus führen vor allem die oberen, experimentellen Schranken der Verzweigungsverhältnisse von \(l_i \rightarrow l_j \gamma\) zu starken Bedingungen an die zu Grunde liegenden Seesaw-Parameter. \\ Abschließend wird das Neutralino im Rahmen des NMSSM untersucht. In dieser Erweiterung des MSSM ist zwar das Neutralino immer noch der beste Kandidat für Dunkle Materie, kann sich jedoch auf Grund der Anteile eines Eichsinglets sehr unterschiedlich im Vergleich zum MSSM verhalten. Wir zeigen nicht nur die Unterschiede zum MSSM auf, sondern berechnen auch die Dichte Dunkler Materie im NMSSM mit der gleichen Präzision wie im MSSM. Für diesen Zweck ist es notwendig, eine komplette Einschleifenrenormierung des elektroschwachen Sektors des NMSSM durchzuführen. Es wird sich zeigen, dass insbesondere die Strahlungskorrekturen zu den Massen der Staus große Auswirkung auf die Neutralinodichte in der Koannihilationsregion haben. Weiterhin ist der so genannte Higgs-Funnel, also Bereiche im Parameterraum, in denen die Masse eines Higgs Bosons in etwa der zweifachen Masse des leichtesten Neutralinos entspricht, sehr sensitiv auf die Ein- und Zweischleifenkorrekturen im pseudoskalaren Sektor. \\ Im Rahmen dieser Projekte wurde ein Mathematica Package namens SARAH entwickelt, um supersymmetrische Modelle schnell, effektiv und mit sehr hoher Präzision untersuchen zu können. SARAH berechnet für ein gegebenes Modell alle analytischen Ausdrücke für die Massen, Wechselwirkungen, Selbstenergien auf Einschleifenniveau sowie Renormierungsgruppengleichungen auf Ein- und Zweischleifenniveau. Eine große Bandbreite von SUSY Modellen kann analysiert und auch von dem Benutzer intuitiv verändert werden. Die berechneten Ausdrücke können dazu benutzt werden, um neue Modelle in Programme zum diagrammatischen Berechnen von Prozessen (FeynArts/FormCalc bzw. CalcHep/CompHep) zu implementieren oder das gesamte Spektrum und alle Parameter des neuen SUSY Modells mit Hilfe von \SPheno berechnen zu lassen. Die sich durch SARAH bietenden Möglichkeiten gehen hierbei über reine Studien zur Dunkle Materie weit hinaus.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:4678 |
| Date | January 2010 |
| Creators | Staub, Florian |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_ohne_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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