Flavour physics and CP violation in supersymmetric theories

Mit der Inbetriebnahme des Large Hadron Colliders LHC (CERN, Genf) im September 2008 beginnt eine neue Ära der Elementarteilchenphysik. Mit großer Wahrscheinlichkeit wird man am LHC Phänomene entdecken, die durch das Standard-Modell der Teilchenphysik nicht erklärt werden können. Supersymmetrie ist eine der vielversprechendsten Erweiterungen des Standard-Modells der Teilchenphysik. Die Suche nach supersymmetrischen Teilchen hat am LHC sehr hohe Priorität. Das Forschungsprojekt "Flavour-Physik and CP-Verletzung in supersymmetrischen Theorien" ist ein gemeinsames Projekt der Universität Wien (Österreich) und der Universität Würzburg (Deutschland). Die meisten bisherigen Studien über Supersymmetrie an zukünftigen Collidern wurden unter der Annahme durchgeführt, dass Flavour- Mischung vernachlässigt werden kann und R-Parität erhalten ist. Das wichtigste Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Untersuchung des Flavour-Sektors der supersymmetrischen Erweiterungen des Standard-Modells der Teilchenphysik sowohl bei Erhaltung, als auch bei Verletzung der R-Parität. Unsere Untersuchungen werden wir einerseits im Minimalen Supersymmetrischen Standard-Modell mit Flavour-Mischung zwischen den einzelnen Generationen in den Termen der Supersymmetrie-Brechung, andererseits in Modellen mit R-Paritäts-Verletzung durchführen. In einer systematischen Studie werden wir den allgemeinsten Fall untersuchen, der sowohl CP- verletzende Phasen, als auch Parameter der Flavour-Verletzung einschließt. Um die Auswirkungen von Flavour- und CP-Verletzung auf die Bestimmung der zugrundeliegenden supersymmetrischen Parameter herauszuarbeiten, werden wir systematisch Produktions- und Zerfallsprozesse supersymmetrischer Teilchen an Collidern untersuchen. Dabei werden wir die existierenden experimentellen und theoretischen Einschränkungen für die flavourverletzenden Parameter und die korrekte Dichte der Dunklen Materie berücksichtigen. Trotz der starken Einschränkungen erwarten wir große flavourverletzende Effekte in supersymmetrischen Produktions- und Zerfallsprozessen. Die Ergebnisse des Forschungsprojekts "Flavour-Physik und CP-Verletzung in supersymmetrischen Theorien" spielen daher eine entscheidende Rolle für die Experimente am LHC und an anderen zukünftigen Teilchenbeschleunigern.

Die erste Phase der Experimente am Large Hadron Collider LHC des CERN, Genf, begann im März 2010. Ein Höhepunkt war die Entdeckung des Higgs-Bosons im Juli 2012. Damit wurde eine neue Ära der Teilchenphysik eingeleitet. Der Beginn der zweiten Experimentier-phase am LHC ist für das Jahr 2015 geplant. Es ist sehr wahrscheinlich, dass in dieser zweiten Phase Hinweise für eine Neue, über das Standard-Modell hinausgehende Physik gefunden werden. Supersymmetrie ist ein vielversprechender Kandidat für eine Erweiterung des Standard-Modells, denn sie erlaubt die Vereinigung der fundamentalen Kräfte bei hohen Energien sowie die Lösung des sogenannten Hierarchieproblems. Darüber hinaus ist das leichteste supersymmetrische Teilchen ein idealer Kandidat für die Dunkle Materie. Die zusätzlichen komplexen supersymmetrischen Parameter könnten helfen, die beobachtete Barion-Antibarion-Asymmetrie des Universums zu erklären. Daher hatte die Suche nach supersymmetrischen Teilchen an allen Beschleunigern hohe Priorität und wird in der zweiten Experimentierphase des LHC ebenfalls eines der wichtigsten Ziele sein.Wenn supersymmetrische Teilchen gefunden werden, so ist der nächste Schritt die Bestimmung der fundamentalen Parameter der zu Grunde liegenden supersymmetrischen Theorie. In diesem Sinn war das Studium des Einflusses neuer Quellen der Quarkflavour-Verletzung das wichtigste Ziel unseres Forschungsprojekts. Diese können im Sektor der Squarks, der supersymmetrischen Partner der Quarks, auftreten. Die Flavourstruktur des Squarksektors ist unabhängig von der bekannten Flavourstruktur des Quarksektors. Wir nahmen an, dass die zweite und dritte Generation der Squarks mischen und berechneten den Einfluss dieser Mischung auf die Produktions- und Zerfallsraten der Squarks und Gluinos am LHC. Die Parameter dieser Squarkmischung sind nur durch die sehr genau gemessenen Zerfallsraten der K-Mesonen und B-Mesonen sowie durch die Daten aus der experimentellen Suche nach Higgs-Bosonen und supersymmetrischen Teilchen eingeschränkt. Diese berücksichtigten wir entsprechend der letzten bekannten Daten. Wir zeigten, dass die Raten für die flavourverletzenden Zerfälle bis zu 50% betragen können und daher die Einflüsse der Squarkmischung bei der Bestimmung der supersymmetrischen Parameter berücksichtigt werden müssen. Unsere Arbeiten sind in internationalen Zeitschriften publiziert.Weiterhin berechneten wir die vollständigen Einschleifenkorrekturen zu den Zerfallsraten der Sfermionen und Higgs-Bosonen für den Fall der Flavourerhaltung und stellten die zwei Programmsysteme SFOLD und HFOLD der Allgemeinheit zur Verfügung. Die Erweiterung auf den flavourverletzenden Fall wird ein wesentliches Ziel unseres Folgeprojektes P 26338-N27 sein.