@phdthesis{Krauss2013, author = {Krauß, Martin Bernhard}, title = {Testing Models with Higher Dimensional Effective Interactions at the LHC and Dark Matter Experiments}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-94519}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2013}, abstract = {Dark matter and non-zero neutrino masses are possible hints for new physics beyond the Standard Model of particle physics. Such potential consequences of new physics can be described by effective field theories in a model independent way. It is possible that the dominant contribution to low-energy effects of new physics is generated by operators of dimension d>5, e.g., due to an additional symmetry. Since these are more suppressed than the usually discussed lower dimensional operators, they can lead to extremly weak interactions even if new physics appears at comparatively low scales. Thus neutrino mass models can be connected to TeV scale physics, for instance. The possible existence of TeV scale particles is interesting, since they can be potentially observed at collider experiments, such as the Large Hadron Collider. Hence, we first recapitulate the generation of neutrino masses by higher dimensional effective operators in a supersymmetric framework. In addition, we discuss processes that can be used to test these models at the Large Hadron Collider. The introduction of new particles can affect the running of gauge couplings. Hence, we study the compatibilty of these models with Grand Unified Theories. The required extension of these models can imply the existence of new heavy quarks, which requires the consideration of cosmological constraints. Finally, higher dimensional effective operators can not only generate small neutrino masses. They also can be used to discuss the interactions relevant for dark matter detection experiments. Thus we apply the methods established for the study of neutrino mass models to the systematic discussion of higher dimensional effective operators generating dark matter interactions.}, subject = {Neutrino}, language = {en} } @phdthesis{Elsaesser2011, author = {Els{\"a}sser, Dominik Martin}, title = {Indirect Search for Dark Matter in the Universe - the Multiwavelength and Multiobject Approach}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-69464}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2011}, abstract = {Dunkle Materie ist ein zentraler Bestandteil der modernen Kosmologie, und damit von entscheidender Bedeutung f{\"u}r unser Verst{\"a}ndnis der Strukturbildung im Universum. Das offensichtliche Fehlen von elektromagnetischer Wechselwirkung in Kombination mit unabh{\"a}ngigen Messungen der Energiedichte der baryonischen Materie {\"u}ber die H{\"a}ufigkeit der primordialen leichten Elemente weisen auf eine nicht-baryonische Natur der Dunklen Materie hin. Die Wirkung der Dunklen Materie bei der Strukturbildung zeigt weiterhin dass ihre Konstituenten kalt sind, also zum Zeitpunkt des Gleichgewichts zwischen Strahlung und Materie eine Temperatur kleine als ihre Ruhemasse aufwiesen. Generische Kandidaten f{\"u}r das Dunkelmaterie-Teilchen sind stabile, schwach wechselwirkende Teilchen mit Ruhemassen von der Gr{\"o}ßenordnung der Skala der elektroschwachen Symmetriebrechung, wie sie zum Beispiel in der Supersymmetrie bei erhaltener R-Parit{\"a}t vorkommen. Derartige Teilchen frieren auf nat{\"u}rliche Weise im fr{\"u}hen Universum mit kosmologisch relevanten Reliktdichten aus. Die fortschreitende Strukturbildung im Universum f{\"u}hrt dann zur Bildung von {\"u}berdichten Regionen, in denen die Dunkelmaterie-Teilchen wiederum in signifikantem Ausmaß annihilieren k{\"o}nnen. Dadurch w{\"u}rde ein potentiell detektierbarer Fluß von Hochenergie-Teilchen einschließlich Photonen aus den instabilen Zwischenprodukten der Annihilationsereignisse erzeugt. Die Spektren dieser Teilchen w{\"u}rden R{\"u}ckschl{\"u}sse auf die Masse und den Annihilations-Querschnitt als wichtige Gr{\"o}ßen zur mikrophysikalischen Identifikation der Dunkelmaterie-Teilchen erlauben. Darin liegt die zentrale Motivation f{\"u}r indirekte Suchen nach der Dunklen Materie. Zum gegenw{\"a}rtigen Zeitpunkt jedoch haben weder diese indirekten Suchen, noch direkte Methoden zur Suche nach elastischen Streuereignissen zwischen Dunkelmaterie-Teilchen und Atomkernen sowie Beschleunigerexperimente einen eindeutigen Nachweis von Dunkelmaterie-Teilchen erbracht. Das an sich stellt keine {\"U}berraschung dar, denn die zu erwartenden Signale sind aufgrund der schwachen Wechselwirkung der Teilchen nur von geringer Intensit{\"a}t. Im Falle der indirekten Suchen steht zu erwarten, dass selbst f{\"u}r die gr{\"o}ßten Massekonzentrationen im Universum die St{\"a}rke des Annihilationssignals der Dunklen Materie den durch astrophysikalische Quellen verursachten Untergrund nicht {\"u}berschreitet. Die M{\"o}glichkeit der sicheren Unterscheidung zwischen einem m{\"o}glichen Signal aus der Annihilation der Dunklen Materie und eben diesem Untergrund ist daher entscheidend f{\"u}r die Erfolgsaussichten der indirekten Suchen. In der vorliegenden Arbeit wird eine neuartige Suchstrategie ausgearbeitet und vorgestellt, deren zentrale Komponente die Auswahl von Beobachtungszielen aus einem breiten Massebereich, die Kontrolle der astrophysikalischen Untergr{\"u}nde, und die Einbeziehung von Daten aus mehreren Wellenl{\"a}ngenbereichen ist. Die durchgef{\"u}hrten Beobachtungen werden vorgestellt und interpretiert. Ein Ergebnis ist, dass die Unsicherheiten in Bezug auf die Verteilung der Dunklen Materie in Halos und deren individuelle Dichtestruktur, sowie in Bezug auf die m{\"o}gliche Verst{\"a}rkung des Annihilationssignales durch Substruktur, im Falle der massearmen Halos (wie zum Beispiel bei den Zwerggalaxien) gr{\"o}ßer ist als bei massereichen Halos, wie denen der Galaxienhaufen. Andererseits weisen die massereichen Halos gr{\"o}ßere Unsicherheiten in Hinblick auf die zu erwartenden rein astrophysikalischen Untergr{\"u}nde auf. Die Unsicherheiten in Bezug auf die bisher unbekannte Teilchenphysik jenseits des Standardmodells schließlich sind unabh{\"a}ngig von der Masse der beobachteten Halos. Im Zusammenspiel erm{\"o}glichen es diese unterschiedlichen Skalierungsverhalten, die globale Unsicherheit durch eine kombinierte Analyse der Beobachtungen von Halos mit verschiedenen Massen, die einen bedeutenden Teil der Masseskala abdecken, nennenswert zu reduzieren. Diese Strategie wurde im Rahmen des wissenschaftlichen Beobachtungsprogrammes des MAGIC Teleskopsystems implementiert. Es wurden Beobachtungen von Zwerggalaxien sowie des Virgo- und des Perseus-Galaxienhaufens durchgef{\"u}hrt. Die resultierenden Grenzen auf Gammastrahlung aus der Annihilation von schwach wechselwirkenden, massereichen Teilchen geh{\"o}ren zum Zeitpunkt dieser Niederschrift zu den st{\"a}rksten Grenzen aus indirekten Suchen nach der Dunklen Materie. Die so gewonnenen Grenzen auf die Annihilations-Fl{\"u}sse schr{\"a}nken einige in der Literatur diskutierte und durch aussergew{\"o}hnlich große Annihilations-Fl{\"u}sse gekennzeichnete Szenarien stark ein.}, subject = {Gammastrahlung}, language = {en} } @phdthesis{Staub2010, author = {Staub, Florian}, title = {Considerations on supersymmetric Dark Matter beyond the MSSM}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-55343}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2010}, abstract = {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.}, subject = {Supersymmetrie}, language = {en} } @phdthesis{Knochel2009, author = {Knochel, Alexander Karl}, title = {Supersymmetry in a Sector of Higgsless Electroweak Symmetry Breaking}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-47899}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2009}, abstract = {Seit der Popularisierung durch Randall/Sundrum (RS) vor etwa 10 Jahren, und insbesondere in Verbindung mit der \$AdS/CFT\$-Korrespondenz, ist der Einsatz von gekr{\"u}mmten Raumzeithintergr{\"u}nden 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 st{\"o}rungstheoretischen Methoden verschlossen waren, sondern schaffte auch einen faszinierenden neuen Zusammenhang zwischen ph{\"a}nomenologi-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 Betr{\"a}gen zu elektroschwachen Pr{\"a}zisionsobservablen. Gleichzeitig gibt es jedoch sehr starke astrophysikalische Indizien daf{\"u}r 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 geh{\"o}ren 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 N{\"a}he r{\"u}ckt. Diese Situation legt nahe dass neue Szenarien jenseits des Standardmodells beide Fragestellungen gleicherma\ss en thematisieren sollten. In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir die ph{\"a}nomenologischen Implikationen einer Erweiterung Higgsloser Modelle in 5D um Supersymmetrie mit erhaltener R-Parit{\"a}t im elektroschwachen Symmetriebrechungssektor. Das Ziel war, eine m{\"o}glichst einfache Erweiterung zu finden, die ein realistisches leichtes Spektrum aufweist und gleichzeitig einen guten Kandidaten f{\"u}r kalte Dunkelmaterie enth{\"a}lt, ohne zu viele freie Parameter einzuf{\"u}hren. Um dies zu bewerkstelligen, bot sich der gleiche Mechanismus an, der bereits f{\"u}r die Brechung der Eichsymmetrien zum Einsatz kommt, n{\"a}mlich die Brechung durch Randbedingungen. W{\"a}hrend 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 H{\"a}lfte 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 Ph{\"a}nomenologie von vollst{\"a}ndigen \$\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 Masseneigenzust{\"a}nde des neutralen Bino-Wino-Sektors sind automatisch die leichtesten Supersymmetrischen Teilchen (LSP) und damit nat{\"u}rliche Kandidaten f{\"u}r 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 ph{\"a}nomenologischen 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 durchgef{\"u}hrt. 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 {\"u}ber 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 {\"u}ber fehlende transversale Energie mit wenigen fb\$^{-1}\$ bei 14 TeV m{\"o}glich ist, insofern eine zuverl{\"a}ssige Identifikation schwerer Quarks gegeben ist.}, subject = {Supersymmetrie}, language = {en} }