Federico von der Pahlen

• The mechanism of spontaneous symmetry breaking is essential to provide masses to the W and Z gauge bosons and fermions of the SM. We hope to elucidate this mechanism at the next generation of colliders. While the SM has been tested with astonishing precision it is believed to be an effective theory of a more fundamental Great Unified Theory. SUSY is one of the most attractive extensions of the SM of particle physics. Therefore, the search for SUSY is a top priority at the next generation of colliders. Once Higgs bosons are discovered, a preciseThe mechanism of spontaneous symmetry breaking is essential to provide masses to the W and Z gauge bosons and fermions of the SM. We hope to elucidate this mechanism at the next generation of colliders. While the SM has been tested with astonishing precision it is believed to be an effective theory of a more fundamental Great Unified Theory. SUSY is one of the most attractive extensions of the SM of particle physics. Therefore, the search for SUSY is a top priority at the next generation of colliders. Once Higgs bosons are discovered, a precise determination of their properties is necessary to differentiate between different models, in particular the MSSM. A muon collider, running at center of mass energies around the neutral Higgs boson resonances, would allow precise measurements of masses and widths, as well as the couplings to their decay products. In particular their couplings to supersymmetric particles are essential to probe SUSY. Therefore, we study the decays of the heavier CP-even and CP-odd Higgs bosons into lighter chargino or neutralino pairs. In this thesis we have analyzed the polarization effects of the beams and the charginos and neutralinos produced in mu+ mu- annihilation around the center of mass energies of the Higgs boson resonances H and A. For the production of equal charginos we have shown that the ratio of H-chargino and A-chargino couplings can be precisely determined independently of the chargino decay mechanism. This method avoids reference to other experiments and makes only a few model-dependent assumptions. Here we have analyzed the effect of the energy spread and of the error from the non-resonant channels, including an irreducible standard model background contribution. For small tan(beta) the process yields large cross sections of up to a pb. For the production of two different charginos we have shown that the H-A interference can be analyzed using asymmetries of the charge conjugated processes. The asymmetries depend on the muon longitudinal beam polarizations and vanish for unpolarized beams. For the chargino pair production with subsequent two-body decay of one of the charginos we have shown that charge and beam polarization asymmetries in the energy distributions of the decay particles are sensitive to the interference of scalar exchange channels with different CP quantum numbers. This process provides unique information on the interference of overlapping Higgs boson resonances. The effect is larger for regions of parameter space with intermediate values of tan(beta) and light sleptons or LSP neutralinos. For the chargino pair production with subsequent two-body decays of both charginos we have defined energy distribution and angular asymmetries in the final particles, in order to analyze the spin-spin correlations of the charginos. The transverse polarizations of the charginos are sensitive to the CP quantum number of the exchanged Higgs bosons and can thus be used to separate overlapping resonances, as well as to determine the CP quantum number of a single resonance. For equal charginos, these asymmetries are not sensitive to the interference of CP-even and CP-odd Higgs exchange channels. For the neutralino pair production in mu+ mu- annihilation we study similar processes as for chargino production. Line shape measurements of neutralino pair production allow to precisely determine the ratio of H-neutralino and A-neutralino couplings. Neutralino pair production with subsequent two-body decay of one of the neutralinos in the intermediate tan(beta) region is sensitive to the interference of H and A and may be measured with a large statistical significance. The Majorana nature of the neutralinos implies that the beam polarization asymmetries vanish for the remaining production channels. For neutralino pair production with subsequent two-body decays of both neutralinos we analyze similar observables as in chargino production. The main difference consists in the intrinsic relative CP quantum number of the neutralino pair, which depends on the chosen scenario. We have thus shown that the interaction of the Higgs bosons to the gaugino-higgsino sector can be probed at a muon collider in chargino and neutralino pair production, both analyzing the production line-shape around the resonances as well as studying the chargino and neutralino polarizations via their decays.…
• Der Mechanismus der spontanen Symmetriebrechung ist notwendig, um den W-und Z-Eichbosonen sowie den Fermionen des Standardmodels Masse geben zu können. Wir hoffen, diesen Mechanismus in der nächsten Generation von Teilchenbeschleunigern nachweisen zu können. Obwohl die Vorhersagen des Standardmodels (SM) bisher mit sehr großer Präzision bestätigt werden konnten, glaubt man, dass es sich um einen effektiven Niederenergielimes einer fundamentaleren Großvereinheitlichten Theorie handelt. Supersymmetrie (SUSY) ist eine der attraktivstenDer Mechanismus der spontanen Symmetriebrechung ist notwendig, um den W-und Z-Eichbosonen sowie den Fermionen des Standardmodels Masse geben zu können. Wir hoffen, diesen Mechanismus in der nächsten Generation von Teilchenbeschleunigern nachweisen zu können. Obwohl die Vorhersagen des Standardmodels (SM) bisher mit sehr großer Präzision bestätigt werden konnten, glaubt man, dass es sich um einen effektiven Niederenergielimes einer fundamentaleren Großvereinheitlichten Theorie handelt. Supersymmetrie (SUSY) ist eine der attraktivsten Erweiterungen des Standardmodels der Teilchenphysik. Deswegen ist die Suche nach SUSY eine der Prioritäten der nächsten Generation von Beschleunigern. Werden Higgs-Bosonen entdeckt, ist eine präzise Bestimmung ihrer Eigenschaften nötig. Ein Myonenbeschleuniger mit einer Schwerpunktsenergie in der Nähe der Resonanzen der neutralen Higgs-Bosonen würde eine ideale ,,Higgs-Fabrik'' darstellen, die genaue Messungen der Massen und Breiten sowie der Kopplungen und Zerfallsprodukte der Higgsbosonen erlauben würde. Insbesondere deren Kopplungen an SUSY-Teilchen ist wichtig, um das in der Natur realisierte SUSY-Szenario zu ermitteln. Deswegen haben wir die Zerfälle der schwereren CP-geraden und CP-ungeraden Higgs-Bosonen in leichtere Chargino- oder Neutralino-Paare studiert. In dieser Arbeit wurden der Einfluss der Strahlpolarisation der Myonen sowie die Polarisation der Charginos bzw. Neutralinos erzeugt in Myon Annihilation untersucht. Für die Produktion gleicher Charginos wurde gezeigt, dass das Verhältnis der H-Chargino-und der A-Chargino Kopplungen unabhängig vom Chargino Zerfallsmechanismus mit hoher Präzision bestimmt werden kann. Diese Methode vermeidet Anleihen bei anderen Experimenten und macht nur wenige modelabhängige Annahmen. Hier wurde der Effekt der Energieverteilung der Myonenstrahlen und des Fehlers aus den nicht-resonanten Kanäle, mit Berücksichtigung des irreduziblen Standardmodel-Hintergrundbeitrags, untersucht. Für kleine Werte von tan(beta) werden bei diesem Prozess große Wirkungsquerschnitte von bis zu einem pb erzielt. Für die Produktion von zwei unterschiedlichen Charginos wurde gezeigt, dass die H-A-Interferenz mit der Asymmetrie der Wirkungsquerschnitte für ladungskonjugierten Prozesse analysiert werden kann. Diese Asymmetrie hängt von der longitudinalen Strahlpolarisation ab und verschwindet für unpolarisierten Myon-Strahlen. Für Chargino-Paarproduktion mit anschließendem Zweikörperzerfall eines der Charginos haben wir gezeigt, dass die Ladungs-und Polarisationsasymmetrien den Energieverteilungen der Zerfallsprodukte auf die Interferenz der skalaren Austausch-Kanäle mit unterschiedlichen CP-Quantenzahlen sensitiv sind. Dieser Prozess liefert eindeutige Informationen über die Interferenz überlappender Higgsboson-Austausch-Resonanzen. Der Effekt ist für Regionen des Parameterraums mit mittleren Werten von tan(beta) und für leichte Sleptonen oder LSP Neutralinos größer. Für Chargino-Paarproduktion mit anschließendem Zweikörperzerfall beider Charginos wurden Energie- und Winkelverteilungen der Zerfallsprodukte definiert, um damit die Chargino-Spin-Spin-Korrelationen analysieren zu können. Die transversalen Polarisationen der Charginos sind auf die CP-Quantenzahl des ausgetauschten Higgs-Bosons sensitiv. Dadurch kann man überlappende Resonanzen trennen, sowie auch die CP-Quantenzahl einer einzelnen Resonanz bestimmen. Für gleiche Charginos sind diese Asymmetrien auf die Interferenz CP-gerader und CP-ungerader Higgs-Kanäle nicht sensitiv. Es ist deswegen nicht möglich, mit ihrer Hilfe zwischen zwei überlappenden skalaren Resonanzen mit unterschiedlichen CP-Quantenzahlen und einer CP-verletzenden einzelnen Resonanz zu unterscheiden. Für Neutralino Paarproduktion in Myon Annihilation werden, analog zum Chargino Produktionsprozess, Lineshape sowie die anschließenden Zerfälle untersucht. Lineshape-Messungen der Neutralino-Paarproduktion erlauben eine präzise Bestimmung des Verhältnisses der H-Neutralino- und A-Neutralino-Kopplungen. Neutralino Paarproduktion mit anschließendem Zweikörperzerfall eines der Neutralinos für mittleren Werten von tan(beta) ist sensitiv auf Interferenz von H und A ist und kann möglicherweise mit ausreichender statistischer Signifikanz gemessen werden können. Für Neutralino-Paarproduktion mit anschließendem Zweikörperzerfall beider Neutralinos werden die analogen Observablen wie bei der Chargino Paarproduktion analysiert. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass die relative intrinsische CP-Quantenzahl des erzeugten Neutralinopaares vom Szenario abhängt. Es wurde somit gezeigt, dass die Wechselwirkung der Higgsbosonen an den Gaugino-Higgsino-Sektor an einem Myonbeschleuniger aus Analysen der Chargino bzw. Neutralino Paar-Produktions-Lineshape an den Resonanzen sowie auch aus der Strahlpolarisations-Abhängigkeit der anschließenden Zerfälle getestet werden können.…