Sneutrino-antisneutrino oscillations at colliders

Modern elementary particle physics is based on quantum field theories. Currently, our understanding is that, on the one hand, the smallest structures of matter and, on the other hand, the composition of the universe are based on quantum field theories which present the observable phenomena by describing particles as vibrations of the fields. The Standard Model of particle physics is a quantum field theory describing the electromagnetic, weak, and strong interactions in terms of a gauge field theory. However, it is believed that the Standard Model describes physics properly only up to a certain energy scale. This scale cannot be much larger than the so-called electroweak scale, i.e., the masses of the gauge fields W^+- and Z^0. Beyond this scale, the Standard Model has to be modified. In this dissertation, supersymmetric theories are used to tackle the problems of the Standard Model. For example, the quadratic divergences, which plague the Higgs boson mass in the Standard model, cancel in supersymmetric theories. Experimental facts concerning the neutrino sector indicate that the lepton number is violated in Nature. On the other hand, the lepton number violating Majorana neutrino masses can induce sneutrino-antisneutrino oscillations in any supersymmetric model. In this dissertation, I present some viable signals for detecting the sneutrino-antisneutrino oscillation at colliders. At the e-gamma collider (at the International Linear Collider), the numbers of the electron-sneutrino-antisneutrino oscillation signal events are quite high, and the backgrounds are quite small. A similar study for the LHC shows that, even though there are several backrounds, the sneutrino-antisneutrino oscillations can be detected. A useful asymmetry observable is introduced and studied. Usually, the oscillation probability formula where the sneutrinos are produced at rest is used. However, here, we study a general oscillation probability. The Lorentz factor and the distance at which the measurement is made inside the detector can have effects, especially when the sneutrino decay width is very small. These effects are demonstrated for a certain scenario at the LHC.

Moderni alkeishiukkasfysiikka pohjautuu ns. kvanttikenttäteorioihin. Tällä hetkellä ymmärtämyksemme on, että yhtäältä aineen pienimmät rakenteet ja toisaalta koko maailmankaikkeuden rakenne pohjautuvat kvanttikenttäteorioihin, jotka esittävät havaittavat ilmiöt kuvailemalla hiukkaset kenttien värähtelyinä. Hiukkasfysiikan standardimalli on kvanttikenttäteoria, joka kuvaa sähkömagneettista, heikkoa ja vahvaa vuorovaikutusta ns. mittakenttäteorian avulla. Uskotaan kuitenkin, että standardimalli kuvailee fysiikkaa ainoastaan johonkin tiettyyn energiaskaalaan asti. Tämä skaala ei voi olla paljon suurempi kuin nk. sähköheikko skaala eli W^+- and Z^0-mittakenttien massojen skaala. Tämän skaalan yläpuolella standardimallia täytyy muokata. Tässä väitöskirjassa ns. supersymmetrian avulla käydään käsiksi standardimallin ongelmiin. Esimerkiksi ns. neliölliset divergenssit, jotka piinaavat Higgsin bosonin massaa standardimallissa, kumoavat toisensa täsmällisesti supersymmetrisissä teorioissa. Kokeelliset, neutriinosektoriin liittyvät tosiasiat ovat merkkinä siitä, että ns. leptoniluku ei säily luonnossa. Toisaalta leptonilukua rikkovat nk. Majorana-neutriinojen massat voivat saada aikaan sneutriino-antisneutriino-oskillaatioita (sneutriino on neutriinon ns. superkumppani). Tässä väitöskirjassa esitetään joitakin mahdollisia signaaleja, joilla voitaisiin havaita sneutriino-antisneutriino-oskillaatioita hiukkaskiihdyttimissä. Elektroni-fotoni-törmäyttimessä (kansainvälisessä lineaarikiihdyttimessä (ILC)) elektronin sneutriino-antisneutriino-oskillaatiosignaalien hiukkastapahtumien määrät ovat aika suuria, ja taustasignaalien määrä on aika alhainen. Samantapainen tutkimus LHC-kiihdyttimelle kertoo, että vaikka on olemassa useita taustasignaaleja, niin sneutriino-antisneutriino-oskillaatioita voidaan havaita. Hyödyllinen asymmetriaobservaabeli määritellään ja sitä tutkitaan. Tavallisesti käytetään oskillaatiotodennäköisyyden kaavaa, jossa sneutriinot tuotetaan lepoon. Kuitenkin kolmannessa artikkelissa tutkitaan yleistä oskillaatiotodennäköisyyden kaavaa. Ns. Lorentz-tekijä ja etäisyys, jolla mittaus tehdään ilmaisimen sisällä, voivat vaikuttaa, erityisesti kun sneutriinon hajoamisleveys on hyvin pieni. Näitä efektejä havainnollistetaan tietyllä skenaariolla LHC-kiihdyttimessä.