TY  - THES
A1  - Edelhäuser, Lisa
T1  - Model Independent Spin Determination at Hadron Colliders
T1  - Modellunabhängige Spinbestimmung an Hadronbeschleunigern
N2  - Mit dem Ende des Jahres 2011 haben die beiden LHC-Experimente ATLAS und CMS jeweils ungef\"ahr 5 inverse Femtobarn an Daten bei einer Energie von 7 TeV aufgenommen. Die bisher analysierten Daten geben nur sehr vage Hinweise auf neue Physik an der TeV-Skala. Trotzdem erwartet man, dass sich an dieser Skala neue Physik zeigt, die bekannte Probleme des Standardmodells behebt. In den letzten Jahrzehnten wurden viele Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik und ihre Ph\"anomenologie dazu ausgearbeitet. Sobald sich neue Physik zeigt, stellt sich die Aufgabe, ihre Beschaffenheit und das zugrunde liegende Modell zu finden. Erste Hinweise k\"onnen nat\"urlich schon das Massenspektrum und die Quantenzahlen wie z.B. die elektrische und die Farbladung der neuen Teilchen liefern. \\ In zwei sehr bekannten und gut untersuchten Modellklassen, Supersymmetrie und Extradimensionen, haben neue Teilchen allerdings sehr \"ahnliche Eigenschaften an der erreichbaren Energieskala. Beide Modelle f\"uhren Partnerteilchen zu den bekannten Standardmodell-Teilchen ein, die, abgesehen von der Masse, sehr \"ahnliche Eigenschaften besitzen. Aus diesem Grund ist es n\"otig, weitere Kriterien zu ihrer Unterscheidung einzusetzen.\\ Ein hilfreicher Unterschied ergibt sich aus der Konstruktion beider Modelle: W\"ahrend in Modellen mit Extradimensionen die Partnerteilchen gleichen Spin wie die Standardmodell-Teichen haben, ist der Spin der Partnerteilchen in supersymmetrischen Modellen um 1/2 verschieden. Dieser Unterschied hat nun interessante Auswirkungen auf die jeweilige Ph\"anomenologie der Modelle.\\ Zum Beispiel kann man ausnutzen, dass die unterschiedlichen Spins die absoluten Wirkungsquerschnitte beeinflussen. Diese Methode setzt allerdings voraus, dass man die Massen und Kopplungsst\"arken sehr genau kennt. Eine weitere Herangehensweise nutzt aus, dass Winkelverteilungen vom Spin der involvierten Teilchen abh\"angen k\"onnen. Eine wichtige darauf basierende Methode stellt einen Zusammenhang zwischen der invariante-Masse-Verteilung $d\Gamma/d\sff$ zweier Zerfallsprodukte und dem Spin des intermedi\"aren Teilchens, \"uber welches der Zerfall abl\"auft, her.\\ In dieser Arbeit untersuchen wir als erstes den Einfluss von Operatoren h\"oherer Ordnung auf die Spinbestimmung in Zerfallsketten. Wir klassifizieren als erstes die relevanten Operatoren der Dimension 5 und 6. Wir berechnen die neuen Beitr\"age und diskutieren ihre Auswirkungen auf die Bestimmung von Kopplungen und Spin in diesen Zerf\"allen.\\ Im weiteren betrachten wir zwei Szenarien, die nicht die \"ublichen Zerfallsketten beinhalten:\\ In Dreik\"orperzerf\"allen kann die oben erw\"ahnte Methode nicht angewendet werden, da das intermedi\"are Teilchen nicht auf die Massenschale gehen kann. Solche off-shell'' Zerf\"alle k\"onnen in Szenarien wie split-Supersymmetrie oder split-Universal Extra Dimensions'' wichtig sein. Man kann hier die sogenannte Narrow width approximation'' nicht anwenden, welche eine notwendige Voraussetzung f\"ur einen einfachen Zusammenhang zwischen Spin und der invariante-Masse-Verteilung ist. Wir arbeiten eine Strategie f\"ur diese Dreik\"orperzerf\"alle aus, mittels derer man zwischen den unterschiedlichen Spinszenarien unterscheiden kann. Diese Strategie beruht darauf, dass man hier die differentielle Zerfallsbreite als globalen Phasenraumfaktor mal einem Polynom in der invarianten Masse $\sff$ schreiben kann. Die hierbei auftretenden Koeffizienten sind nur Funktionen der involvierten Massen und Kopplungen, und wir zeigen, wie beispielsweise ihre Wertebereiche und Vorzeichen dazu benutzt werden k\"onnen, um den zugrunde liegenden Zerfall zu bestimmen. Am Ende testen wir diese Strategie in einer Reihe von Monte Carlo-Simulationen, und diskutieren auch den Einfluss des off-shell'' Teilchens. Im letzten Teil betrachten wir eine Topologie mit sehr kurzen Zefallsketten, in der man den oben genannten Zusammenhang zwischen Spin und invarianter Masse ebenfalls nicht anwenden kann. Wir untersuchen eine bestimmte Variable, die zur Unterscheidung von Supersymmetrie und Universal Extra Dimensions'' eingef\"uhrt wurde. Dabei nutzt man aus, dass sich das Problem im Hochenergielimes auf die zugrunde liegenden Produktionsprozesse reduziert. Wir diskutieren, wie man diese Variable auch in Szenarien anwenden kann, in denen dieser Limes keine gute N\"aherung darstellt. Dazu betrachten wir die m\"oglichen Spinszenarien mit renormierbaren Kopplungen und untersuchen im Detail, wie gut diese Variable zwischen verschiedenen Spin-, Massen- und Kopplungsszenarien unterscheiden kann. Wir finden beispielsweise, dass das Spinszenario, welches den supersymmetrischen Fall beinhaltet, von den meisten anderen Spinszenarien gut unterscheidbar ist.
N2  - By the end of the year 2011, both the CMS and ATLAS experiments at the Large Hadron Collider have recorded around 5 inverse femtobarns of data at an energy of 7 TeV. There are only vague hints from the already analysed data towards new physics at the TeV scale. However, one knows that around this scale, new physics should show up so that theoretical issues of the standard model of particle physics can be cured. During the last decades, extensions to the standard model that are supposed to solve its problems have been constructed, and the corresponding phenomenology has been worked out. As soon as new physics is discovered, one has to deal with the problem of determining the nature of the underlying model. A first hint is of course given by the mass spectrum and quantum numbers such as electric and colour charges of the new particles. However, there are two popular model classes, supersymmetric models and extradimensional models, which can exhibit almost equal properties at the accessible energy range. Both introduce partners to the standard model particles with the same charges and thus one needs an extended discrimination method. From the origin of these partners arises a relevant difference: The partners constructed in extradimensional models have the same spin as their standard model partners while in Supersymmetry they differ by spin 1/2.\\ These different spins have an impact on the phenomenology of the two models. For example, one can exploit the fact that the total cross sections are affected, but this requires a very good knowledge of the couplings and masses involved. Another approach uses angular distributions depending on the particle spins. A prevailing method based on this idea uses the invariant mass distribution of the visible particles in decay chains. One can relate these distributions to the spin of the particle mediating the decay since it reflects itself in the highest power of the invariant mass $\sff$ of the adjacent particles. In this thesis we first study the influence of higher than dimension 4 operators on spin determination in such decay chains. We write down the relevant dimension 5 and 6 operators and calculate their contributions to the invariant mass distribution. We discuss how they affect the determination of spin and couplings.\\ We then address two scenarios which do not involve decay chains in the usual sense. In three body decays, the method pointed out above cannot be applied since it can only be used if the mediating particle is produced on-shell. For off-shell decays, which are important e.g. in split-Supersymmetry or split-Universal Extra Dimensions, the narrow width approximation cannot be made which previously led to the simple relation between spin and the highest power of $\sff$. We work out a strategy for these three body decays that can distinguish between the different spin scenarios. The method relies on the fact that the differential decay width $d\Gamma /d\sff$ can be rewritten in this limit as a global phase space function and a polynomial in $\sff$. The coefficients in this polynomial are functions of masses and couplings and we show that they have distinct signs or ratios depending on the spins involved in the decay. We test the strategy in a series of Monte Carlo studies and discuss the influence of the intermediate particle's mass. In the last part we consider a topology with very short decay chains. Again one cannot use the relation between spin and invariant mass. We investigate one variable that has been invented for the discrimination of Supersymmetry and Universal Extra Dimensions in the high energy limit which reduces the problem to the underlying production process. We show how this variable can also be used in new physics scenarios where the high energy limit is not a viable approximation. We include all possible spin scenarios with renormalizable interactions and study in detail the influence of the involved masses and couplings on the discrimination power of this variable. We find for example that the scenario containing the supersymmetric case is well distinguishable from most other spin scenarios.
KW  - Elementarteilchenphysik
KW  - Beyond the standard model
KW  - spin determination
KW  - Spin
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-71030
ER  - 
TY  - THES
A1  - Liebler, Stefan
T1  - LHC phenomenology and higher order electroweak corrections in supersymmetric models with and without R-parity
T1  - LHC Phänomenologie und elektroschwache Korrekturen in SUSY Modellen mit und ohne R-Parität
N2  - During the last decades the standard model of particle physics has evolved to one of the most precise theories in physics, describing the properties and interactions of fundamental particles in various experiments with a high accuracy. However it lacks on some shortcomings from experimental as well as from theoretical point of view: There is no approved mechanism for the generation of masses of the fundamental particles, in particular also not for the light, but massive neutrinos. In addition the standard model does not provide an explanation for the observance of dark matter in the universe. Moreover the gauge couplings of the three forces in the standard model do not unify, implying that a fundamental theory combining all forces can not be formulated. Within this thesis we address supersymmetric models as answers to these various questions, but instead of focusing on the most simple supersymmetrization of the standard model, we consider basic extensions, namely the next-to-minimal supersymmetric standard model (NMSSM), which contains an additional singlet field, and R-parity violating models. R-parity is a discrete symmetry introduced to guarantee the stability of the proton. Using lepton number violating terms in the context of bilinear R-parity violation and the munuSSM we are able to explain neutrino physics intrinsically supersymmetric, since those terms induce a mixing between the neutralinos and the neutrinos. Since 2009 the Large Hadron Collider (LHC) at CERN explores the new energy regime of Tera-electronvolt, allowing the production of potentially existing heavy particles by the collision of protons. Thus the near future might provide answers to the open questions of mass generation in the standard model and show hints towards physics beyond the standard model. Therefore this thesis works out the phenomenology of the supersymmetric models under consideration and tries to point out differences to the well-known features of the simplest supersymmetric realization of the standard model. In case of the R-parity violating models the decays of the light neutralinos can result in displaced vertices. In combination with a light singlet state these displaced vertices might offer a rich phenomenology like non-standard Higgs decays into a pair of singlinos decaying with displaced vertices. Within this thesis we present some calculations at next order of perturbation theory, since one-loop corrections provide possibly large contributions to the tree-level masses and decay widths. We are using an on-shell renormalization scheme to calculate the masses of neutralinos and charginos including the neutrinos and leptons in case of the R-parity violating models at one-loop level. The discussion shows the similarities and differences to existing calculations in another renormalization scheme, namely the DRbar scheme. Moreover we consider two-body decays of the form chi_j^0 -> chi_l^\pm W^\mp involving a heavy gauge boson in the final state at one-loop level. Corrections are found to be large in case of small or vanishing tree-level decay widths and also for the R-parity violating decay of the lightest neutralino chi_1^0 -> l^\pm W^\mp. An interesting feature of the models based on bilinear R-parity violation is the correlation between the branching ratios of the lightest neutralino decays and the neutrino mixing angles. We discuss these relations at tree-level and for two-body decays chi_1^0 -> l^\pm W^\mp also at one-loop level, since only the full one-loop corrections result in the tree-level expected behavior. The appendix describes the two programs MaCoR and CNNDecays being developed for the analysis carried out in this thesis. MaCoR allows for the calculation of mass matrices and couplings in the models under consideration and CNNDecays is used for the one-loop calculations of neutralino and chargino mass matrices and the two-body decay widths.
N2  - Das heutige Standardmodell der Teilchenphysik ist eine der präzisesten Theorien der Physik, welche die Eigenschaften der bekannten Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen in zahlreichen Experimenten mit hoher Genauigkeit beschreibt. Gleichwohl zeigt es Schwachpunkte auf experimenteller wie theoretischer Seite: Zwar gibt es mit dem Higgs-Mechanismus einen theoretischen Ansatz für die Erzeugung von Massen der Elementarteilchen im Standardmodell, jedoch ist dieser experimentell (noch) nicht nachgewiesen. Insbesondere benötigt das Standardmodell für die Erklärung der leichten Massen der Neutrinos noch eine Erweiterung. Darüber hinaus liefert das Standardmodell keinen Kandidaten für dunkle Materie, welche den dominanten Anteil der Materie im Universum ausmacht. Antworten auf viele dieser Fragestellungen liefern supersymmetrische Modelle, auf denen auch diese Arbeit fußt. Statt der einfachsten supersymmetrischen Realisierung des Standardmodells beschäftigen wir uns mit Erweiterungen, darunter das nächstminimale supersymmetrischen Standardmodell (NMSSM), welches ein zusätzliches Singletfeld enthält, sowie R-Paritätsverletzende Modelle. R-Parität ist eine diskrete Symmetrie, die die Stabilität des Protons in supersymmetrischen Erweiterungen garantiert. Die Nutzung von leptonzahlverletzenden Termen im Kontext von bilinearer R-Paritätsverletzung und dem munuSSM erlaubt die Erklärung von Neutrinodaten, da besagte Terme eine Mischung der Neutralinos mit den Neutrinos bewirken. Seit 2009 stößt der Large Hadron Collider'' (Großer Hardonenbeschleuniger, LHC) am CERN in Genf in den Energiebereich von Teraelektronenvolt vor und erlaubt so die Produktion von schweren, noch unbekannten Teilchen. Somit könnte die nahe Zukunft die Frage nach der Massenerzeugung im Standardmodell beantworten und Hinweise auf neue Physik liefern. Daher arbeiten wir die Phänomenologie der oben erwähnten supersymmetrischen Modelle an Beschleunigerexperimenten heraus und diskutieren die Unterschiede zur einfachsten supersymmetrischen Realisierung des Standardmodells. Im Falle von R-Paritätsverletzung können die Zerfälle des leichtesten Neutralinos Vertices mit Abstand zum Wechselwirkungspunkt erzeugen. In Kombination mit leichten singletartigen Teilchen können diese Zerfälle eine reiche Phänomenologie bereithalten wie beispielsweise Higgszerfälle in leichte singletartige Neutralinos, welche vor ihrem Zerfall eine messbare Strecke im Detektor zurücklegen. In dieser Arbeit präsentieren wir auch Rechnungen in der nächsthöheren Ordnung Störungs-theorie, da Einschleifenbeiträge große Korrekturen zu den Massen und Zerfallsbreiten auf Baumgraphenniveau liefern können. Wir berechnen die Massen von Neutralinos und Charginos, welche im Falle der R-Paritätsverletzung Neutrinos und Leptonen beinhalten, in nächsthöherer Ordnung und heben die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zu exisitierenden Rechnungen in anderen Renormierungsschemata hervor. Darüberhinaus betrachten wir Zweikörperzerfälle der Form chi_j^0 -> chi_l^\pm W^\mp auf Einschleifenniveau. Im Falle von verschwindenden Zerfallsbreiten auf Baumgraphenniveau können die Korrekturen groß werden, genauso auch für die $R$-Paritäts-verletzenden Zerfälle des leichtesten Neutralinos chi_1^0 -> l^\pm W^\mp. Ein Charakteristikum von Modellen basierend auf bilinearer R-Paritätsverletzung ist die Korrelation zwischen den Verzweigungsverhältnissen der leichtesten Neutralinozerfälle und den Neutrinomischungswinkeln. Wir zeigen diese Beziehungen auf Baumgraphenniveau und für die Zweikörperzerfälle chi_1^0 -> l^\pm W^\mp auch in nächsthöherer Ordnung, da nur die volle Einschleifenkorrektur das erwartete Ergebnis liefert. Im Anhang werden die zwei für diese Arbeit erzeugten Programme MaCoR und CNNDecays vorgestellt. Während MaCoR die Berechnung von Massenmatrizen und Kopplungen in den besagten Modellen erlaubt, wurde mit CNNDecays die numerische Auswertung der Einschleifenrechnungen vorgenommen.
KW  - Supersymmetrie
KW  - LHC
KW  - Neutrino
KW  - Elementarteilchenphysik
KW  - R-Paritaet
KW  - Schleifendiagramm
KW  - Renormierung
KW  - supersymmetry
KW  - LHC phenomenology
KW  - R-parity
KW  - electroweak corrections
KW  - on-shell renormalization
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-69367
ER  -