In der vorliegenden Arbeit betrachten wir die experimentellen Möglichkeiten, ein supersymmetrisches Modell mit bilinear verletzter R-Parität $($ bRPV SUSY$)$ am International Linear Collider zu untersuchen. In diesem Modell mischen Neutrinos mit den supersymmetrischen Neutralinos, sodass Neutrinoeigenschaften durch die Studie von Neutralinozerfällen untersucht werden können. Diese Zerfälle enthalten typischerweise ein Lepton und ein W/Z-Boson. Als Fallbeispiel konzentrieren wir uns auf die Bestimmung des atmosphärischen Neutrinomischungswinkel $\theta_{23}$, der über die Messung des Verhältnisses der Verzweigungsverhältnisse $\mathrm{BR}(\widetilde{\chi}_1^0 \rightarrow W \mu)/\mathrm{BR}(\widetilde{\chi}_1^0 \rightarrow W \tau)$ zugänglich ist.
Zu diesem Zweck wird eine detaillierte Detektorsimulation des International Large Detectors für alle Standardmodell-Untergrundprozesse sowie Neutralinopaarproduktion in einem 'simplified model' durchgeführt. Die Studie basiert auf ILC Strahlparameter gemäß des Technical Design Reports bei einer Schwerpunktsenergie von $\sqrt{s}=500\,\mathrm{GeV}$.
Aus den myonischen Neutralinozerfällen $\widetilde{\chi}_1^0$ lässt sich bei einer integrierten Luminosität von $\int L \mathrm{d}t=500\,\mathrm{fb}^{-1}$ die $\widetilde{\chi}_1^0$-Masse mit einer Unsicherheit von $\delta(m_{\widetilde{\chi}_1^0}) = (40(\mathrm{stat.})\oplus35(\mathrm{syst.}))\,\mathrm{MeV}$ bestimmen. Das Verhältnis der Verzweigungsverhältnisse kann mit einer Genauigkeit von 2.9% gemessen werden. Hieraus kann wiederum der atmosphärische Neutrinomischungswinkel mit einer Genauigkeit bestimmt werden, die vergleichbar ist mit der moderner Neutrinoexperimente. Damit kann am ILC getestet werden, ob bRPV SUSY für die Neutrinomassengeneration verantwortlich ist.
Wie in der bRPV SUSY-Studie gezeigt wird, ist die Strahlpolarisation ein wichtiger Parameter für Physikanalysen am ILC. Die Strahlpolarisation wird mit Hilfe zweier Compton-Polarimeter pro Elektron-/Positron-Strahl gemessen. Um das Designziel von einer Messgenauigkeit von 0.25% zu erreichen, muss die Detektornichtlinearität der beteiligten Cherenkovdetektoren sehr genau bestimmt werden. Dabei stellen erwartungsgemäß die beteiligten Photomultiplier die Hauptquellen der Detektornichtlinearität dar.
Aus diesem Grund wird eine differentielle Nichtlinearitätsmessung sowie eine Linearisierungsmethode entwickelt. Das Grundprinzip wird in einer Monte-Carlo-Simulation demonstriert. Zudem wird die Simulation dazu verwendet, um Anforderungsparameter für die Entwicklung einer passenden Kalibrationslichtquelle sowie eines geeigneten Testaufbaus zu definieren.
Nach detaillierten Testmessungen wird die Nichtlinearität eines Photomultipliers und dessen Auslesekette auf $(1.0\pm0.1)$% und $(0.4\pm0.1)$% in Abhängigkeit des vermessenen Intensitätsbereichs bestimmt. Wir zeigen, dass die gemessene Nichtlinearität genutzt werden kann, um einen unabhängigen Datensatz zu linearisieren. Abschließend wird die mögliche Anwendung der vorgeschlagenen Methode als Nichtlinearitätsüberwachung und Korrekturschema während der ILC Datennahme diskutiert.
>In this thesis, we investigate the experimental prospects of studying a supersymmetric model with bilinearly broken R parity at the International Linear Collider. In this model, neutrinos mix with the supersymmetric neutralinos such that neutrino properties can be probed by examining neutralino decays, which incorporate usually a lepton and a W/Z boson. As a study case, we focus on the determination of the atmospheric neutrino mixing angle $\theta_{23}$, which is accessible via the ratio of the neutralino branching ratios $\mathrm{BR}(\widetilde{\chi}_1^0 \rightarrow W \mu)/\mathrm{BR}(\widetilde{\chi}_1^0 \rightarrow W \tau)$.
A detailed simulation of the International Large Detector has been performed for all Standard Model backgrounds and for $\widetilde{\chi}_1^0$-pair production within a simplified model. The study is based on ILC beam parameters according to the Technical Design Report for a center-of-mass energy of $\sqrt{s}=500\,\mathrm{GeV}$.
From muonic $\widetilde{\chi}_1^0$ decays, we find that the $\widetilde{\chi}_1^0$ mass can be reconstructed with an uncertainty of $\delta(m_{\widetilde{\chi}_1^0}) = (40(\mathrm{stat.})\oplus35(\mathrm{syst.}))\,\mathrm{MeV}$ for an integrated luminosity of $\int L \mathrm{d}t=500\,\mathrm{fb}^{-1}$. The ratio of branching ratios can be determined to a precision of 2.9%. Due to this, the atmospheric neutrino mixing angle can be deduced with a precision comparable to modern neutrino experiments. Thus, the ILC is capable to test whether bRPV SUSY is the mechanism of neutrino mass generation.
As also shown in the bRPV SUSY study of this thesis, beam polarisation is an important parameter in physics analyses at the ILC. The beam polarisation is measured with two Compton polarimeters per electron/positron beam. In order to achieve the design goal of an envisaged precision of 0.25%, the detector nonlinearity of the used Cherenkov detectors has to be determined very precisely. Herein, the main source of nonlinearity is expected to originate from the involved photomultipliers.
For this reason, a differential nonlinearity measurement as well as a linearisation method is developed. The working principle is demonstrated in a Monte-Carlo simulation, which is also utilised in order to deduce design parameters for the development of a calibration light source and an appropriate measurement setup.
After extensive test measurements, the nonlinearity is determined using the proposed differential method. We find nonlinearities of the photomultiplier and its read-out chain of $(1.0\pm0.1)$% and $(0.4\pm0.1)$%, respectively, depending on the light intensity range. We show that the measured nonlinearity can be used in order to linearise an independent dataset. Finally, a possible application of the developed method in a sliding nonlinearity monitoring and correction scheme during the ILC data taking is outlined.