Searching for new (dark and colourful) sectors at colliders and beyond
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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.