A new simple class of superpotentials in SUSY quantum mechanics

In this work, we introduce the class of quantum mechanics superpotentials W(x) = g epsilon(x)x(2n) and study in detail the cases n = 0 and 1. The n = 0 superpotential is shown to lead to the known problem of two supersymmetrically related Dirac delta potentials (well and barrier). The n = 1 case results in the potentials V+/-(x) = g(2)x(4) +/- 2g|x|. For V-, we present the exact ground-state solution and study the excited states by a variational technique. Starting from the ground state of V- and using logarithmic perturbation theory, we study the ground states of V+ and also of V(x) = g(2)x(4) and compare the result obtained in this new way with other results for this last potential in the literature.

Wh plus missing-E-T signature from gaugino pair production at the LHC

In SUSY models with heavy squarks and gaugino mass unification, the gaugino pair production reaction pp -> (W) over tilde (+/-)(1)(Z) over tilde (2) dominates gluino pair production for m (g) over tilde less than or similar to 1 TeV at LHC with root s = 14 TeV (LHC14). For this mass range, the two-body decays (W) over tilde (1) -> W (Z) over tilde (1) and (Z) over tilde (2) -> h (Z) over tilde (1) are expected to dominate the chargino and neutralino branching fractions. By searching for lb (b) over tilde + is not an element of(T) events from (W) over tilde (+/-)(1)Z(2) production, we show that LHC14 with 100 fb(-1) of integrated luminosity becomes sensitive to chargino masses in the range m((W) over tilde1) similar to 450-550 GeV corresponding to m (g) over tilde similar to 1.5-2 TeV in models with gaugino mass unification. For 10(3) fb(-1), LHC14 is sensitive to the Wh channel for m((W) over tilde1) similar to 300-800 GeV, corresponding to m (g) over tilde similar to 1-2.8 TeV, which is comparable to the reach for gluino pair production followed by cascade decays. The Wh + is not an element of(T) search channel opens up a new complementary avenue for SUSY searches at LHC, and serves to point to SUSYas the origin of any new physics discovered via multijet and multilepton + is not an element of(T) channels.

W Z plus missing-E-T signal from gaugino pair production at LHC7

LHC searches for supersymmetry currently focus on strongly produced sparticles, which are copiously produced if gluinos and squarks have masses of a few hundred GeV. However, in supersymmetric models with heavy scalars, as favored by the decoupling solution to the SUSY flavor and CP problems, and m((g) over tilde) greater than or similar to 500 GeV as indicated by recent LHC results, chargino-neutralino ((W) over tilde (+/-)(1)(Z) over tilde (2)) production is the dominant cross section for m((W) over tilde1) similar to m((Z) over tilde2) < m(<(g)over tilde>)/3 at LHC with root s = 7 TeV (LHC7). Furthermore, if m((Z) over tilde1) + (m (Z) over tilde) less than or similar to m((Z) over tilde2) less than or similar to m((Z) over tilde1) + m(h), then (Z) over tilde (2) dominantly decays via (Z) over tilde (2) -> (Z) over tilde (1)Z, while (W) over tilde (1) decays via (W) over tilde (1) -> (Z) over tilde W-1. We investigate the LHC7 reach in the W Z + (sic)T channel (for both leptonic and hadronic decays of the W boson) in models with and without the assumption of gaugino mass universality. In the case of the mSUGRA/CMSSM model with heavy squark masses, the LHC7 discovery reach in the W Z+ (sic)T channel becomes competetive with the reach in the canonical (sic)T + jets channel for integrated luminosities similar to 30 fb(-1). We also present the LHC7 reach for a simplified model with arbitrary m((Z) over tilde1) and m((W) over tilde1) similar to m((Z) over tilde2). Here, we find a reach of up to m((W) over tilde1) similar to 200 (250) GeV for 10 (30) fb(-1).

Supersymmetric Dark Matter : aspects of sfermion coannihilations

There is very strong evidence that ordinary matter in the Universe is outweighed by almost ten times as much so-called dark matter. Dark matter does neither emit nor absorb light and we do not know what it is. One of the theoretically favoured candidates is a so-called neutralino from the supersymmetric extension of the Standard Model of particle physics. A theoretical calculation of the expected cosmic neutralino density must include the so-called coannihilations. Coannihilations are particle processes in the early Universe with any two supersymmetric particles in the initial state and any two Standard Model particles in the final state. In this thesis we discuss the importance of these processes for the calculation of the relic density. We will go through some details in the calculation of coannihilations with one or two so-called sfermions in the initial state. This includes a discussion of Feynman diagrams with clashing arrows, a calculation of colour factors and a discussion of ghosts in non-Abelian field theory. Supersymmetric models contain a large number of free parameters on which the masses and couplings depend. The requirement, that the predicted density of cosmic neutralinos must agree with the density observed for the unknown dark matter, will constrain the parameters. Other constraints come from experiments which are not related to cosmology. For instance, the supersymmetric loop contribution to the rare b -> sγ decay should agree with the measured branching fraction. The principles of the calculation of the rare decay are discussed in this thesis. Also on-going and planned searches for cosmic neutralinos can constrain the parameters. In one of the accompanying papers in the thesis we compare the detection prospects for several current and future searches for neutralino dark matter.

Complex higher spins, Weyl invariance and tractors

In this thesis work I analyze higher spin field theories from a first quantized perspective, finding in particular new equations describing complex higher spin fields on Kaehler manifolds. They are studied by means of worldline path integrals and canonical quantization, in the framework of supersymmetric spinning particle theories, in order to investigate their quantum properties both in flat and curved backgrounds. For instance, by quantizing a spinning particle with one complex extended supersymmetry, I describe quantum massless (p,0)-forms and find a worldline representation for their effective action on a Kaehler background, as well as exact duality relations. Interesting results are found also in the definition of the functional integral for the so called O(N) spinning particles, that will allow to study real higher spins on curved spaces. In the second part, I study Weyl invariant field theories by using a particular mathematical framework known as tractor calculus, that enable to maintain at each step manifest Weyl covariance.

Suche nach Endzuständen mit zwei Leptonen und fehlender transversaler Energie in pp-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 1.96 TeV

In der vorliegenden Arbeit wurden Daten aus Proton-Antiproton-Kollisionen analysiert, die im Zeitraum von April 2002 bis März 2004 mit dem DO-Detektor bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt(s) = 1.96 TeV am Tevatron-Beschleuniger am Fermi National Accelerator Laboratory aufgezeichnet wurden. Je nach Analyse entsprechen die verwendeten Datensätze integrierten Luminositäten von 158-252 pb^-1. Die Ereignisse wurden auf die Existenz von Higgs-Bosonen und Charginos und Neutralinos untersucht. Außerdem wurde eine Messung des Wirkungsquerschnittes der Paarproduktion von W-Bosonen durchgeführt. Für die Suchen nach Higgs-Bosonen wurden leptonische Endzustände mit zwei Elektronen bzw. einem Elektron und einem Myon untersucht, wie sie bei Zerfällen von Higgs-Bosonen über zwei W-Bosonen erwartet werden. Wegen des momentan zur Verfügung stehenden geringen Datensatzes ist nur möglich, die Daten auf die Existenz von Higgs-Bosonen zu untersuchen, wie sie innerhalb alternativer Modelle vorhergesagt werden. Aufgrund größerer Produktionswirkungsquerschnitte werden die Higgs-Bosonen mit erhöhter Rate erzeugt und werden somit schon bei niedrigen integrierten Luminositäten zugänglich. Bei der durchgeführten Analyse wurde eine gute Übereinstimmung der beobachteten Ereignisse mit der Erwartung aus Prozessen des Standardmodells gefunden. Da keine Evidenz für die Existenz von Higgs-Bosonen beobachtet wurde, wurden die Ergebnisse verwendet, um mit einem Vertrauensniveau von 95% eine obere Grenze auf den Produktionswirkungsquerschnitt multipliziert mit dem Verzweigungsverhältnis anzugeben. Durch eine Kombination der ee-, emu- und mumu-Endzustände erhält man eine obere Grenze zwischen 5.7 und 40.3 pb im Higgs-Massenbereich von 100-200 GeV. Die Ergebnisse zeigen, daß auch der hier verwendete Datensatz noch zu klein ist, um auch Higgs-Bosonen im Rahmen der alternativen Modelle zu entdecken bzw. auszuschließen. Um die assoziierte Produktion von Charginos und Neutralinos nachzuweisen, wurden ebenfalls Endzustände mit einem Elektron und einem Myon untersucht. Zur Verbesserung der Sensitivität wurde eine Kombination mit Analysen in ee- und mumu-Endzuständen durchgeführt. Da auch hier eine gute Konsistenz mit der Erwartung der Untergrundprozesse innerhalb des Standardmodells gefunden wurde, wurden ebenso obere Grenzen auf den Produktionswirkungsquerschnitt multipliziert mit dem Verzweigungsverhältnis gesetzt. Die Ergebnisse werden im Rahmen des mSUGRA-Modells interpretiert. Es ergeben sich obere Grenzen zwischen 0.46 und 0.63 pb für Charginomassen im Bereich von 97 GeV bis 114 GeV. Dies stellt eine deutliche Verbesserung der bei früheren Messungen bei DO erhaltenen Ausschlußgrenzen dar. Allerdings ist es wiederum aufgrund des geringen Datensatzes nicht möglich, Punkte im mSUGRA-Parameterraum oberhalb der bei LEP gefundenen Grenzen auszuschließen. Die Ergebnisse können auch verwendet werden, um allgemeinere SUSY-Modelle einzuschränken, die ebenfalls entsprechende Beziehungen zwischen den Chargino- und Neutralino-Massen erfüllen. Den Hauptuntergrund bei diesen Suchen stellt die Paarproduktion von W-Bosonen dar. Es wurde zum ersten Mal im Rahmen des DO-Experimentes eine Messung des Wirkungsquerschnittes der W-Paarproduktion mit einer Signifikanz von mehr als 3 sigma durchgeführt. Es wird eine gute Übereinstimmung mit der Next-to-leading-order-Vorhersage der Theorie gefunden. Kombiniert man die ee-, emu- und mumu-Endzustände, ergibt sich ein Wirkungsquerschnitt von sigma(WW) = 13.35+4.65-3.99(stat) +0.77-1.05(syst) +-0.87(Lum) pb.

Bestimmung der fehlenden transversalen Energie auf der ersten Triggerstufe beim ATLAS-Experiment und Optimierung der Triggerselektion von supersymmetrischen Ereignissen

Das Standardmodell der Teilchenphysik, das drei der vier fundamentalen Wechselwirkungen beschreibt, stimmt bisher sehr gut mit den Messergebnissen der Experimente am CERN, dem Fermilab und anderen Forschungseinrichtungen überein. rnAllerdings können im Rahmen dieses Modells nicht alle Fragen der Teilchenphysik beantwortet werden. So lässt sich z.B. die vierte fundamentale Kraft, die Gravitation, nicht in das Standardmodell einbauen.rnDarüber hinaus hat das Standardmodell auch keinen Kandidaten für dunkle Materie, die nach kosmologischen Messungen etwa 25 % unseres Universum ausmacht.rnAls eine der vielversprechendsten Lösungen für diese offenen Fragen wird die Supersymmetrie angesehen, die eine Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen einführt. rnAus diesem Modell ergeben sich sogenannte supersymmetrische Teilchen, denen jeweils ein Standardmodell-Teilchen als Partner zugeordnet sind.rnEin mögliches Modell dieser Symmetrie ist das R-Paritätserhaltende mSUGRA-Modell, falls Supersymmetrie in der Natur realisiert ist.rnIn diesem Modell ist das leichteste supersymmetrische Teilchen (LSP) neutral und schwach wechselwirkend, sodass es nicht direkt im Detektor nachgewiesen werden kann, sondern indirekt über die vom LSP fortgetragene Energie, die fehlende transversale Energie (etmiss), nachgewiesen werden muss.rnrnDas ATLAS-Experiment wird 2010 mit Hilfe des pp-Beschleunigers LHC mit einer Schwerpunktenergie von sqrt(s)=7-10 TeV mit einer Luminosität von 10^32 #/(cm^2*s) mit der Suche nach neuer Physik starten.rnDurch die sehr hohe Datenrate, resultierend aus den etwa 10^8 Auslesekanälen des ATLAS-Detektors bei einer Bunchcrossingrate von 40 MHz, wird ein Triggersystem benötigt, um die zu speichernde Datenmenge zu reduzieren.rnDabei muss ein Kompromiss zwischen der verfügbaren Triggerrate und einer sehr hohen Triggereffizienz für die interessanten Ereignisse geschlossen werden, da etwa nur jedes 10^8-te Ereignisse für die Suche nach neuer Physik interessant ist.rnZur Erfüllung der Anforderungen an das Triggersystem wird im Experiment ein dreistufiges System verwendet, bei dem auf der ersten Triggerstufe mit Abstand die höchste Datenreduktion stattfindet.rnrnIm Rahmen dieser Arbeit rn%, die vollständig auf Monte-Carlo-Simulationen basiert, rnist zum einen ein wesentlicher Beitrag zum grundlegenden Verständnis der Eigenschaft der fehlenden transversalen Energie auf der ersten Triggerstufe geleistet worden.rnZum anderen werden Methoden vorgestellt, mit denen es möglich ist, die etmiss-Triggereffizienz für Standardmodellprozesse und mögliche mSUGRA-Szenarien aus Daten zu bestimmen. rnBei der Optimierung der etmiss-Triggerschwellen für die erste Triggerstufe ist die Triggerrate bei einer Luminosität von 10^33 #/(cm^2*s) auf 100 Hz festgelegt worden.rnFür die Triggeroptimierung wurden verschiedene Simulationen benötigt, bei denen eigene Entwicklungsarbeit eingeflossen ist.rnMit Hilfe dieser Simulationen und den entwickelten Optimierungsalgorithmen wird gezeigt, dass trotz der niedrigen Triggerrate das Entdeckungspotential (für eine Signalsignifikanz von mindestens 5 sigma) durch Kombinationen der etmiss-Schwelle mit Lepton bzw. Jet-Triggerschwellen gegenüber dem bestehenden ATLAS-Triggermenü auf der ersten Triggerstufe um bis zu 66 % erhöht wird.

Applications of SCET to the pair production of supersymmetric particles at hadron colliders

In this thesis we investigate the phenomenology of supersymmetric particles at hadron colliders beyond next-to-leading order (NLO) in perturbation theory. We discuss the foundations of Soft-Collinear Effective Theory (SCET) and, in particular, we explicitly construct the SCET Lagrangian for QCD. As an example, we discuss factorization and resummation for the Drell-Yan process in SCET. We use techniques from SCET to improve existing calculations of the production cross sections for slepton-pair production and top-squark-pair production at hadron colliders. As a first application, we implement soft-gluon resummation at next-to-next-to-next-to-leading logarithmic order (NNNLL) for slepton-pair production in the minimal supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM). This approach resums large logarithmic corrections arising from the dynamical enhancement of the partonic threshold region caused by steeply falling parton luminosities. We evaluate the resummed invariant-mass distribution and total cross section for slepton-pair production at the Tevatron and LHC and we match these results, in the threshold region, onto NLO fixed-order calculations. As a second application we present the most precise predictions available for top-squark-pair production total cross sections at the LHC. These results are based on approximate NNLO formulas in fixed-order perturbation theory, which completely determine the coefficients multiplying the singular plus distributions. The analysis of the threshold region is carried out in pair invariant mass (PIM) kinematics and in single-particle inclusive (1PI) kinematics. We then match our results in the threshold region onto the exact fixed-order NLO results and perform a detailed numerical analysis of the total cross section.

High precision tools for slepton pair production processes at hadron colliders

In this thesis, we develop high precision tools for the simulation of slepton pair production processes at hadron colliders and apply them to phenomenological studies at the LHC. Our approach is based on the POWHEG method for the matching of next-to-leading order results in perturbation theory to parton showers. We calculate matrix elements for slepton pair production and for the production of a slepton pair in association with a jet perturbatively at next-to-leading order in supersymmetric quantum chromodynamics. Both processes are subsequently implemented in the POWHEG BOX, a publicly available software tool that contains general parts of the POWHEG matching scheme. We investigate phenomenological consequences of our calculations in several setups that respect experimental exclusion limits for supersymmetric particles and provide precise predictions for slepton signatures at the LHC. The inclusion of QCD emissions in the partonic matrix elements allows for an accurate description of hard jets. Interfacing our codes to the multi-purpose Monte-Carlo event generator PYTHIA, we simulate parton showers and slepton decays in fully exclusive events. Advanced kinematical variables and specific search strategies are examined as means for slepton discovery in experimentally challenging setups.

Supersymmetric Mode Converters

Originally developed in the context of quantum field theory, the concept of supersymmetry can be used to systematically design a new class of optical structures. In this work, we demonstrate how key features arising from optical supersymmetry can be exploited to control the flow of light for mode division multiplexing applications. Superpartner configurations are experimentally realized in coupled optical networks, and the corresponding light dynamics in such systems are directly observed. We show that supersymmetry can be judiciously utilized to remove the fundamental mode of a multimode optical structure, while establishing global phase matching conditions for the remaining set of modes. Along these lines, supersymmetry may serve as a promising platform for versatile optical components with desirable properties and functionalities.

Multi-channel search for squarks and gluinos in sqrts=7 TeV pp collisions with the ATLAS detector

A search for supersymmetric particles in final states with zero, one, and two leptons, with and without jets identified as originating from b-quarks, in 4.7 fb(-1) of root s = 7 TeV pp collisions produced by the Large Hadron Collider and recorded by the ATLAS detector is presented. The search uses a set of variables carrying information on the event kinematics transverse and parallel to the beam line that are sensitive to several topologies expected in supersymmetry. Mutually exclusive final states are defined, allowing a combination of all channels to increase the search sensitivity. No deviation from the Standard Model expectation is observed. Upper limits at 95 % confidence level on visible cross-sections for the production of new particles are extracted. Results are interpreted in the context of the constrained minimal supersymmetric extension to the Standard Model and in supersymmetry-inspired models with diverse, high-multiplicity final states.

Search for new phenomena in final states with large jet multiplicities and missing transverse momentum at sqrt(s)=8 TeV proton-proton collisions using the ATLAS experiment

A search is presented for new particles decaying to large numbers (7 to greater or equal to 10) of jets, missing transverse momentum and no isolated electrons or muons. This analysis uses 20.3/fb of pp collision data at sqrt(s)=8 TeV collected by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider. The sensitivity of the search is enhanced by considering the number of b-tagged jets and the scalar sum of masses of large-radius jets in an event. No evidence is found for physics beyond the Standard Model. The results are interpreted in the context of various simplified supersymmetry-inspired models where gluinos are pair produced, as well as a mSUGRA/CMSSM model.

Search for non-pointing photons in the diphoton and ETmiss final state in sqrt(s) = 7 TeV proton-proton collisions using the ATLAS detector

A search has been performed for photons originating in the decay of a neutral long-lived particle, exploiting the capabilities of the ATLAS electromagnetic calorimeter to make precise measurements of the flight direction of photons, as well as the calorimeter's excellent time resolution. The search has been made in the diphoton plus missing transverse energy final state, using the full data sample of 4.8 fb(-1) of 7 TeV proton-proton collisions collected in 2011 with the ATLAS detector at the LHC. No excess is observed above the background expected from Standard Model processes. The results are used to set exclusion limits in the context of gauge mediated supersymmetry breaking models, with the lightest neutralino being the next-to-lightest supersymmetric particle and decaying with a lifetime in excess of 0.25 ns into a photon and a gravitino.

Search for charginos nearly mass-degenerate with the lightest neutralino based on a disappearing-track signature in pp collisions at sqrts = 8 TeV with the ATLAS detector

A search is presented for direct chargino production based on a disappearing-track signature using 20.3  fb−1 of proton-proton collisions at s√=8  TeV collected with the ATLAS experiment at the LHC. In anomaly-mediated supersymmetry breaking (AMSB) models, the lightest chargino is nearly mass degenerate with the lightest neutralino and its lifetime is long enough to be detected in the tracking detectors by identifying decays that result in tracks with no associated hits in the outer region of the tracking system. Some models with supersymmetry also predict charginos with a significant lifetime. This analysis attains sensitivity for charginos with a lifetime between 0.1 and 10 ns, and significantly surpasses the reach of the LEP experiments. No significant excess above the background expectation is observed for candidate tracks with large transverse momentum, and constraints on chargino properties are obtained. In the AMSB scenarios, a chargino mass below 270 GeV is excluded at 95% confidence level.

Lobotomy of Flux Compactifications

We provide the dictionary between four-dimensional gauged supergravity and type II compactifications on T6 with metric and gauge fluxes in the absence of supersymmetry breaking sources, such as branes and orientifold planes. Secondly, we prove that there is a unique isotropic compactification allowing for critical points. It corresponds to a type IIA background given by a product of two 3-tori with SO(3) twists and results in a unique theory (gauging) with a non-semisimple gauge algebra. Besides the known four AdS solutions surviving the orientifold projection to N = 4 induced by O6-planes, this theory contains a novel AdS solution that requires non-trivial orientifold-odd fluxes, hence being a genuine critical point of the N = 8 theory.