Supersymmetry in a sector of higgsless electroweak symmetry breaking [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Alexander Karl Knochel

Alexander Knochel

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• Publié par: julius-maximilians-universitat_wurzburg
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 24
• Langue: Deutsch
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Extrait

Supersymmetry in a Sector of
Higgsless Electroweak Symmetry
Breaking
Dissertation zur Erlangung des
naturwissenschaftlichen Doktorgrades
der Julius-Maximilians-Universitat Wurzburg¨ ¨
vorgelegt von
Alexander Karl Knochel
aus Gleisweiler
Wurzburg, 2009¨Eingereicht am: 11. Mai 2009
bei der Fakultat fur Physik und Astronomie¨ ¨
1. Gutachter: _________________________
2. Gutachter: _________________________
3. Gutachter: _________________________
der Dissertation
1. Pru¨fer: _________________________
2. Pru¨fer: _________________________
3. Pru¨fer: _________________________
im Promotionskolloquium
Tag des Promotionskolloquiums:_____________We wishtofindthetruth,nomatterwhereit
lies. But to find the truth we need imagination
and skepticism both. We will not be afraid to
speculate, but we will be careful to distinguish
speculation from fact.
- Carl SaganZusammenfassung
Seit der Popularisierung durch Randall/Sundrum (RS) vor etwa 10 Jahren, und
insbesondere in Verbindung mit der AdS/CFT-Korrespondenz, ist der Einsatz
vongekru¨mmtenRaumzeithintergru¨ndenmitExtradimensionen(insb.desAdS )5
eine der fruchtbarsten neuen Ideen bei der Suche nach Modellen jenseits des
Standardmodells (SM). Dieser Ansatz brachte nicht nur frische Einsichten in
die Physik stark wechselwirkender Feldtheorien, die zuvor storungstheoretischen¨
Methoden verschlossen waren, sondern schaffte auch einen faszinierenden neuen
Zusammenhang zwischen phanomenologi-schen Modellen an der TeV-Skala und¨
der Gravitation. Dies hat unter anderem auch das Interesse an Modellen der
elektroschwachenSymmetriebrechungohnephysikalischeSkalarfelder(“Higgslose
Modelle”) in diesem Kontext mit dem Ziel neu aufleben lassen, Alternativen zu
dem im Standardmodell der Teilchenphysik enthaltenen Higgs-Mechanismus zu
finden. Bei der Umsetzung dieser Ideen lag das Hauptaugenmerk meisst auf po-
tentiellen neuenBetra¨gen zuelektroschwachen Pr¨azisionsobservablen. Gleichzeit-
iggibtesjedochsehrstarkeastrophysikalischeIndiziendafurdassdieAntwortauf¨
die Frage nach dem Ursprung der beobachteten Dunkelmaterie in Teilchenmod-
ellen jenseits des Standardmodells zu finden ist. Die Natur der elektroschwachen
Symmetriebrechung und der Dunkelmaterie geh¨oren zu den zentralen Fragen
derenBeantwortungdankaktuellerundanstehenderExperimentez.B.anBeschle-
unigern wie dem Tevatron wie auch in naher Zukunft am LHC in greifbare Na¨he
ruckt.DieseSituationlegt nahedassneueSzenarienjenseitsdesStandardmodells¨
beide Fragestellungen gleichermaßen thematisieren sollten. In der vorliegenden
Arbeituntersuchen wirdie pha¨nomenologischen Implikationen einer Erweiterung
Higgsloser Modelle in 5D um Supersymmetrie mit erhaltener R-Paritat im elek-¨
troschwachen Symmetriebrechungssektor. Das Ziel war, eine mo¨glichst einfache
Erweiterung zu finden, die ein realistisches leichtes Spektrum aufweist und gle-
ichzeitig einen guten Kandidaten fu¨r kalte Dunkelmaterie enth¨alt, ohne zu viele
freie Parameter einzufuhren. Um dies zu bewerkstelligen, bot sich der gleiche¨
Mechanismus an, der bereits fu¨r die Brechung der Eichsymmetrien zum Ein-
satz kommt, namlich die Brechung durch Randbedingungen. Wahrend Super-¨ ¨
symmetrie in 5D vier Superladungen beinhaltet und somit eng mit N = 2 Su-
persymmetrie in 4D verwandt ist, wird allein durch den RS-Hintergrund die
Ha¨lfte der Symmetrien gebrochen, so dass nach der Kaluza-Klein-Reduktion
lediglich eine erhaltene Supersymmetrieverbleibt. Davon ausgehend war das ein-
fachste gangbare Szenario, die Brechung der verbleibenden Generatoren effektivii
durch Randbedingungen auf der UV-Brane der RS-Raumzeit zu beschreiben.
Obwohl hierdurch Teile des leichten SUSY-Spektrums, insb. die Superpartner
der Fermionen, ausprojeziert werden, verbleibt die reichhaltige Ph¨anomenologie
von vollstandigen N = 2-Multiplets im Kaluza-Klein-Sektor. Das leichte erweit-¨
erteSpektrumbestehtausdenSuperpartnernderelektroschwachen Eichbosonen,
die Massen um O(100 GeV) erhalten. Die Neutralinos als Masseneigenzustande¨
des neutralen Bino-Wino-Sektors sind automatisch die leichtesten Supersym-
metrischen Teilchen (LSP) und damit naturliche Kandidaten fur kalte Dunkel-¨ ¨
materie. Ihre Reliktdichte kann ohne exzessive Feineinstellung von Parametern
in Einklang mit Beobachtungen gebracht werden. Das Modell sagt somit eine
leichte NLSP-Masse im Bereich m + ≈ 100...110 GeV und einen LSP bei etwaχ
m ≈ 90 GeV voraus. Am LHC hat der nicht-supersymmetrische Teilchenin-χ
halt des Modells weitestgehend die gleichen phanomenologischen Konsequenzen¨
wie sie bereits von Studien Higgsloser Modelle bekannt sind. Wir haben uns da-
her auf die Produktion des LSP und NLSP am LHC als typische Signatur des
erweiterten Modells konzentriert, und insbesondere Monte-Carlo-Simulationen
mit O’Mega/WHIZARD zur Beobachtung von fehlender transversaler Energie
(p/ )inAssoziation mitschwerenQuarksdurchgefu¨hrt.WirdiskutierengeeigneteT
Schnitte auf Winkel, invariante Massen und Impulse, und erhalten Hadronische
Produktionsquerschnitte von σ > 100 fb bei 14 TeV, die charakteristische p/ -T
Verteilungen im χχtt Endzustand aufweisen. Der Nachweis u¨ber die Produktion
von b-Paaren erweist sich als schwieriger. Unsere Ergebnisse legen nahe dass die
EntdeckungdiesesTypsvonDunkelmaterieinHiggslosenModellenamLHCu¨ber
−1fehlende transversale Energie mit wenigen fb bei 14 TeV moglich ist, insofern¨
eine zuverla¨ssige Identifikation schwerer Quarks gegeben ist.Abstract
Since its popularization due to Randall and Sundrum (RS) one decade ago, and
inconnection withtheAdS/CFT correspondenceinparticular, 5Dwarpedback-
ground spacetime has been one of the most fruitful new ideas in physics beyond
the standard model (SM), leading to new insights into symmetry breaking and
the properties of strongly interacting theories inaccessible to direct perturba-
tive calculations, while at the same time relating gravity to phenomenological
model building. This has, among others, led to a renewed interest in models
of electroweak symmetry breaking without physical scalar fields in the guise of
so-called ’warped higgsless’ models, which could provide an alternative to the
famed Higgs mechanism of electroweak symmetry breaking which is part of the
Standard Model of particle physics. However, little emphasis was put on rec-
onciling these models with the strong evidence from astrophysical observations
that one or several new, as yet unknown, stable particle species exist which form
the cold dark matter content of the universe. The nature of dark matter and
electroweak symmetry breaking are among the most prominent puzzles subject
to experimental scrutiny at the Tevatron, direct search experiments, and in the
near future at the LHC, which compels us the believe that both issues should
be addressed together in any alternative scenario beyond the Standard Model.
In this thesis we have investigated phenomenological implications which arise for
cosmology and collider physics when the electroweak symmetry breaking sector
of warped higgsless models is extended to include warped supersymmetry with
conserved R parity. The goal was to find the simplest supersymmetric extension
of these models which still has a realistic light spectrum including a viable dark
matter candidate. To accomplish this, we have used the same mechanism which
is already at work for symmetry breaking in the electroweak sector to break su-
persymmetryas well, namely symmetrybreakingby boundaryconditions. While
supersymmetry in five dimensions contains four supercharges and is therefore
directly related to 4D N = 2 supersymmetry, half of them are broken by the
background leaving us with ordinary N = 1 theory in the massless sector after
Kaluza-Kleinexpansion. Wethususeboundaryconditionstomodeltheeffects of
a breaking mechanism for the remaining two supercharges. The simplest viable
scenariotoinvestigate isasupersymmetricbulkandIRbranewithout supersym-
metry on the UV brane. Even though parts of the light spectrum are effectively
projected out by this mechanism, we retain the rich phenomenology of complete
N =2supermultipletsin the Kaluza-Klein sector. While the light supersymmet-iv
ricspectrumconsistsofelectroweak gauginoswhichget theirO(100 GeV)masses
from IR brane electroweak symmetry breaking, the light gluinos and squarks are
projected out on the UV brane. The neutralinos, as mass eigenstates of the neu-
tral bino-wino sector, are automatically the lightest gauginos, making them LSP
dark matter candidates with a relic density that can be brought to agreement
withWMAPmeasurementswithoutextensivetuningofparameters. Forchargino
massesclose totheexperimental lowerboundsataroundm + ≈100...110GeV,χ
the dark matter relic density points to LSP masses of around m ≈ 90 GeV. Atχ
the LHC, the standard particle content of our model shares most of the key
features of known warped higgsless models. We have performed Monte Carlo
simulations of warpedhiggsless LSPand NLSPproductionat a benchmarkpoint
usingO’Mega/WHIZARD, concentrating on p/ in association withthird genera-T
tion quarks. After background reduction cuts on the quark momenta and angles,
we get hadronic cross sect