Authors:	Scherb, Christiane
Title:	Searching for new (dark and colourful) sectors at colliders and beyond
Online publication date:	24-Oct-2022
Year of first publication:	2022
Language:	english
Abstract:	Das Standardmodell der Teilchenphysik ist durch eine Vielzahl von Entdeckungen und Experimenten bestätigt worden. Dennoch deuten einige Beobachtungen und Überlegungen darauf hin, dass es Physik jenseits des Standardmodells gibt. Zwei dieser bisher unerklärten Beobachtungen sind der Ursprung und die Natur dunkler Materie, sowie eine zusätzliche Quelle der CP-Verletzung, die benötigt wird, um die Baryonenasymmetrie des Universum zu erklären. In dieser Dissertation wird die Phänomenologie von Modellen, die neue Physik einführen, untersucht. Dabei liegt der Fokus darauf zu analysieren wie die Modelle mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern gefunden werden können. Zuerst werden zwei Realisierungen eines dunklen Materie Sektors untersucht, der über ein schweres Mediator-Teilchen im t-Kanal an die rechts-händigen Quarks, entweder Up, Charm und Top oder Down, Strange und Bottom, koppelt. Für den letzteren Fall wird die Paarproduktion der Mediatoren-Teilchen, die dann zu Jets aus Standardmodell-Teilchen und Jets aus Teilchen des dunklen Sektors zerfallen, analysiert und mit anderen Suchen nach dunklen Sektoren mit Hilfe von Kosmologie und Flavour-Physik kombiniert. Dabei wird die gesamte Breite von möglichen Lebenszeiten der dunklen Pionen für ein Szenario, in dem alle dunklen Pionen dieselbe Lebenszeit haben, und ein Szenario mit zwei verschiedenen Lebenszeiten, untersucht. Anschließend wird für den Fall, dass die dunklen Pionen zu den rechts-händigen Quarks Up, Charm und Top koppeln, die Phänomelogie einzelner dunkler Pionen detailliert erforscht. In diesem Fall werden die dunklen Pionen mit Axion-ähnlichen Teilchen gleichgesetzt. Der Parameterraum wird mit Hilfe von experimentellen Daten von zum Beispiel Kosmologie, Astrophysik und Flavour-Physik eingeschränkt und die Möglichkeiten einer Entdeckung mit Fixed-Target Experimenten und mit speziellen Detektoren in Entfernung zum Interaktionspunkt am LHC aufgezeigt. Die Kombination dieser Experimente ermöglicht es einen großen Teil des Parameterraums zu untersuchen. Trotzdem bleibt der Parameterraum für größere Massen größtenteils uneingeschränkt. Deshalb wird für Axion-ähnliche Teilchen mit Massen ma = 1 − 10 GeV eine neue Methode nach diesen Teilchen zu suchen vorge- schlagen. Bei dieser Suchmethode nach Axion-ähnlichen Teilchen in Flavour-verletzenden Zerfällen des Top-Quarks wird ausgenutzt, dass die leichten Axion-ähnlichen Teilchen große Lebenszeiten haben können. Außerdem sind sie elektrisch neutral und hinterlassen keine Tracks in Detektoren, was ebenfalls genutzt wird. Im Vergleich zu ähnlichen Suchen nach Flavour-verletzenden Kopplungen des Top-Quarks in Endzuständen bestehend aus einem Top-Quark und einem Jet oder einem Top-Quark und fehlender Energie kann die vorgeschlagene Suchmethode für Lebenszeiten der Axion-ähnlichen Teilchen zwischen Millimetern bis Metern etwa zwei Größenordnungen kleinere Verweigungsverhältnisse Br(t → aq) testen. Hierbei steht a für die Axion-ähnlichen Teilchen, t für das Top-Quark und q für ein Up- oder Charm-Quark. Im zweiten Teil der Dissertation liegt der Fokus auf dem CP-verletzenden Two-Higgs-Doublet Modell. Nachdem die Einschränkungen des Parameterraums durch experimentelle Daten untersucht worden sind, werden drei Methoden CP-Verletzung während der hohen Luminosität Phase des LHC analysiert. Genauer gesagt wird die Möglichkeit schwere, skalare Teilchen H, die Mischungen aus skalaren und pseudoskalaren Interaktionseigenzuständen sind, mit Hilfe der Polarisationsebenen der τ -Leptonen in H → τ τ Prozessen, mit Hilfe der Korrelation des Impulses in H → ZZ → µ µ µ µ Prozessen und mit Hilfe des invarianten Massenspektrums des vorgenannten Prozesses zu entdecken, untersucht. While the Standard Model of particle physics has been confirmed by a variety of measurements and discoveries, there are also observations and considerations that clearly point towards physics beyond the Standard Model. Two of these so far unresolved mysteries are the origin and nature of dark matter and the source of additional CP violation needed for the baryon asymmetry of the universe. In this dissertation the phenomenology of new physics models suggesting solutions for these two questions is studied. Thereby, the focus is on collider probes of the models. First, two realizations of a t-channel dark sector model are studied. In these the dark sector fields interact with either the right-handed down-type or the up-type quarks via a heavy mediator. In the former case mediator pair production with decays to visible and dark jets is investigated and combined with non-collider probes from flavour and cosmology. The whole range of dark pion lifetimes is considered for a scenario where the dark pion lifetimes are degenerate and for scenarios with two distinguished dark pion lifetimes. Afterwards, for the case where the dark sector couples to up-type quarks via the mediator, the phenomenology of single dark pions is considered exclusively. Single dark pions are, hereby, treated as axion-like particles. The parameter space is studied in detail, including experimental bounds from astrophysics, cosmology and flavour processes, as well as the discovery prospects at fixed target experiments and LHC forward detectors. The combination of these search strategies covers a wide range of axion-like particle masses. Nonetheless, for masses above the charm threshold the parameter space is largely unconstrained. Therefore, a new search strategy for axion-like particles with masses ma ∼ 1 − 10 GeV is proposed. The proposed strategy searches for axion-like particles in flavour violating top decays and takes advantage of the fact that the considered axion-like particles can be long-lived and, since they are neutral, leave no tracks in the detector before they decay. Compared to searches for flavour violating top couplings in single top plus missing energy and single top plus jets processes the proposed search strategy can probe approximately two orders of magnitude lower branching ratios Br(t → aq), where q is an up or charm quark and a the axion-like particle, in the millimeter to meter lifetime range. Then, the focus moves to the Two-Higgs-Doublet model which is a minimal model introducing an additional source of CP violation in the scalar sector. After evaluating the constraints on the parameter space three methods to test the CP violation of the model at HL-LHC are investigated. More specifically, the prospect to discover heavy scalars Hi , that are admixtures of CP-even and CP-odd final states, using the angular correlation of the tau decay planes in the process H → τ τ , the correlation of final state muons in the process H → ZZ → µ µ µ µ and the invariant mass spectrum of the latter process is studied and compared.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-7958
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-b9588b82-d78a-4436-99fc-c785816f5bc53
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	xiii, 179 Seiten ; Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen