Produktion und Zerfall von Neutralinos im Nichtminimalen Supersymmetrischen Standardmodell

Production and Decay of Neutralinos in the Nonminimal Supersymmetric Standard Model

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-25666
  • Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine umfassende Analyse von Erzeugung und anschließenden Zerfällen von Neutralinos im Nichtminimalen Supersymmetrischen Standardmodell (NMSSM) speziell für den nächsten verfügbaren Elektron-Positron-Speicherring LEP2 am CERN mit einer voraussichtlichen Schwerpunktsenergie von 190 GeV. Das NMSSM ist die einfachste Erweiterung des Minimalen Supersymmetrischen Standardmodells MSSM mit einem Singlett-Superfeld, so dass der Higgs-Sektor insgesamt sieben physikalische Higgs-Teilchen enthält, und zwar drei neutraleDas Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine umfassende Analyse von Erzeugung und anschließenden Zerfällen von Neutralinos im Nichtminimalen Supersymmetrischen Standardmodell (NMSSM) speziell für den nächsten verfügbaren Elektron-Positron-Speicherring LEP2 am CERN mit einer voraussichtlichen Schwerpunktsenergie von 190 GeV. Das NMSSM ist die einfachste Erweiterung des Minimalen Supersymmetrischen Standardmodells MSSM mit einem Singlett-Superfeld, so dass der Higgs-Sektor insgesamt sieben physikalische Higgs-Teilchen enthält, und zwar drei neutrale skalare, zwei pseudoskalare und zwei geladene. Weiterhin enthält das NMSSM fünf Neutralinos gegenüber vier im MSSM. In dieser Arbeit präsentieren wir die 5 x 5 Neutralinomischungsmatrix, stellen die Eigenwertgleichung auf und analysieren das Massenspektrum und die Parameterabhängigkeit möglicher masseloser Zustände. Für die Untersuchung von Neutralinoproduktion und -zerfall wurden verschiedene Szenarien gewählt, in denen das leichteste Neutralino eine Masse von 10 GeV und eine Singlettkomponente von über 90% besitzt oder in denen das leichteste Neutralino bis zu 50 Gev schwer ist und sich der Singlettanteil auf die beiden leichtesten Neutralinos verteilt. Die Wirkungsquerschnitte für die Neutralinoproduktion wurden in den gewählten Szenarien für Schwerpunktsenergien von 100 GeV bis 600 GeV berechnet, also bis zu einem Bereich, den ein geplanter Elektron-Positron-Linearbeschleuniger erreichen kann. Typische Wirkungsquerschnitte für die direkte Produktion vorwiegend singlettartiger Neutralinos liegen im Bereich von 100 fb. Selbst wenn das leichteste Neutralino sehr leicht ist, kann das nächste bereits so schwer sein, dass bei LEP2 nur die nicht nachtweisbare Paarproduktion des leichtesten supersymmetrischen Teilchens möglich ist. Somit ist bei LEP2 keine Erhöhung der unteren Neutralinomassengrenzen im NMSSM zu erwarten, falls kein Neutralino gefunden wird. In Szenarien mit leichten singlettartigen Neutralinos können sehr oft auch sehr leichte Higgs-Bosonen mit Massen unterhalb der im MSSM vorhandenen Grenzen existieren. Somit kann in allen unseren Szenarien der Neutralinozerfall in ein skalares oder pseudoskalares Higgs-Boson möglich sein und dann Verweigungsverhältnisse bis zu fast 100% erreichen. Wir berechnen in dieser Arbeit für die bei LEP2 produzierbaren Neutralinos die Verwzeigungsverhältnisse für die Zweikörperzerfälle in Higgs-Bosonen, die Dreikörperzerfälle in zwei Fermionen und den Schleifenzerfall in ein Photon. In allen Fällen befindet sich im Endzustand außerdem das unsichtbare leichteste Neutralino, dass sich experimentell als fehlende Energie niederschlägt. Zur Bestimmung der Signaturen betrachten wir außerdem die anschließenden Zerfallsmodi der leichten Higgs-Bosonen. Der Nachweis von leichten singlettartigen Neutralinos im NMSSM kann einerseits unmöglich sein, wenn entweder die schweren Neutralinos bei der verfügbaren Schwerpunktsenergie nicht produziert werden können oder über Higgs-Bosonen vollkommen in das LSP zerfallen, andererseits aber auch durch klare Signaturen mit einem Photon oder mit Jets im Endzustand erleichtert werden. Bei LEP2 sollten also durchaus Chancen bestehen, auch im Rahmen des NMSSM ein Neutralino zu entdecken. Zumindest werden sich weitere Einschränkungen des Parameterraums ergeben. Der Dissertation ist ein Anhang beigefügt, der eine vollständige Liste aller Feynman-Regeln des NMSSM enthält, die sich von denjenigen des MSSM unterscheiden.show moreshow less
  • The aim of our study is a comprehensive analysis of the production and the subsequent decays of neutralinos in the Nonminimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM) especially for a center-of-mass energy of 190 Gev expected at the electon-positron storage ring LEP2 at CERN. The NMSSM is the simplest extension of the Minimal Supersymmetric Standard Modell (MSSM) by a singlet superfield. The Higgs sector contains seven physical Higgs particles, three scalars, two pseudoscalar and two charged Higgs bosons. The neutralino sector consists of fiveThe aim of our study is a comprehensive analysis of the production and the subsequent decays of neutralinos in the Nonminimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM) especially for a center-of-mass energy of 190 Gev expected at the electon-positron storage ring LEP2 at CERN. The NMSSM is the simplest extension of the Minimal Supersymmetric Standard Modell (MSSM) by a singlet superfield. The Higgs sector contains seven physical Higgs particles, three scalars, two pseudoscalar and two charged Higgs bosons. The neutralino sector consists of five neutralinos instead of four in the MSSM. We present the 5 x 5 neutralino mixing matrix, compute the eigenvalue equation and analyse the mass spectrum and the parameter dependence of massless neutralino states. For the study of neutralino production and decay we choose scenarios where the lightest neutralino has a mass of 10 GeV and a singlet component of more than 90%, or where the lightest neutralino has a mass of up to 50 GeV and the lightest two neutralinos contains significant singlet contributions. In these scenarios the cross sections are computed for center-of-mass energies ranging from 100 GeV to 600 GeV of a electron-positron linear collider. Typical cross sections for the direct production of mainly singlet-like neutralinos are around 100 fb. Even if a neutralino is rather light, the next neutralino could already be so heavy that at LEP energies only the invisible pair production of the lightest neutralino is kinematically allowed. Therefore one cannot expect to raise the lower NMSSM neutralino mass bound if no neutralino is found. In scenarios with light singlet-like neutralinos there often exist also light Higgs bosons with masses below the MSSM mass bounds. Therefore in our scenarios the neutralino decay in a scalar or pseudoscalar Higgs can reach decay rates up to 100%. We compute the decay rates for the two-body decays into Higgs bosons, for the three-body decays into two fermions and the loop decay into a photon. All final states contain the invisible lightest neutralino with the experimental signature of missing energy. In order to determine the signatures we also consider the decay modes of the light Higgs bosons. The detection of light singlet-like neutralino could be impossible if the heavier neutralinos can not be produced at the collider or if they decay via Higgs bosons into the LSP. But it could also faciliated by clear signatures with a photon or jets in the final states. LEP2 offers some chances to detect a NMSSM neutralino, at least further restrictions of the NMSSM parameter space can be expected. The dissertation contains an appendix with a complete list of all Feyman rules of the NMSSM that are different from their MSSMM counterparts.show moreshow less

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Metadaten
Author: Fabian Franke
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-25666
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Physik und Astronomie
Faculties:Fakultät für Physik und Astronomie / Institut für Theoretische Physik und Astrophysik
Date of final exam:1995/09/26
Language:German
Year of Completion:1995
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
GND Keyword:Supersymmetrie; Neutralino; Produktion; Zerfall; LEP
Tag:LEP2; Neutralino; Nichtminimales Suerpsymmetrisches Standardmodell; Produktion; Zerfall
Decay; LEP2; Neutralino; Nonminimal Supersymmetric Standard Model; Production
Release Date:2008/01/07
Advisor:Prof. Dr. Hans Fraas