Der geplante International Linear Collider (ILC) wird die Eigenschaften neuer Physik an der TeV-Skala vermessen. Ein wichtiges Merkmal des ILC ist die Möglichkeit polarisierte Elektronen und Positronen zu nutzen.
In Teil 1 dieser Arbeit wird eine modellunabh¨angige Suche nach schwach wechselwirkenden schweren Elementarteilchen (WIMPs) vorgestellt. Der untersuchte Signalkanal ist WIMP Paarerzeugung mit assoziierter Initial State Radiation (ISR), e+e− → χχγ. Die WIMPKandidaten verlassen den Detektor ohne weitere Wechselwirkung, und nur das emittierte Photon wird detektiert. Aus dem Energiespektrum der detektierten Photonen lässt sich auf die Kopplungsstruktur, die Wirkungsquerschnitte, die Massen und auf die Quantenzahl der dominierenen Partialwelle im Produktionsprozess schließen. Die Analyse beinhaltet den dominanten SM-Untergrund, sowie Beschleuniger-induzierte Untergründe und wurde in voller Simulation des ILD-Detektorkonzeptes durchgeführt. Mit einer integrierten Luminosität von L = 500 fb−1 lassen sich die Wirkungsquerschnitte mit einer Präzision von 3% bestimmen. Die Unsicherheit wird dominiert von der Präzision der Polarisationsmessung für die Elektronen- und Positronenstrahlen. Durch einen Vergleich des gemessenen Photonspektrums mit parametrisierten Spektrumsvorhersagen sind die Massen der WIMP-Kandidaten mit einer Präzision von bis zu 2% messbar.
Teil 2 dieser Arbeit behandelt einen Prototypen eines Cherenkov-Detektors für Compton-Polarimetrie am ILC. Für Polarisationsmessungen am ILC ist eine systematische Unsicherheit von δP/P = 0.25% oder besser anvisiert. Zur Erreichung dieses Zieles muss der Cherenkov-Detektor präzise gegenüber dem Fächer gestreuter Comptonelektronen ausgerichtet werden und die Detektorantwort muss höchst linear sein. Für den Detektorprototypen wurden Ausrichtungsstrategien durch Abgleich von am ELSA-Beschleuniger in Bonn aufgezeichneten Daten mit einer detaillierten GEANT4-basierten Simulation entwickelt. Durch Benutzung segmentierter Photodetektoren verspricht eine daten-basierte Detektorausrichtung eine signifikante Reduktion der für Kalibrationsscans benötigten Luminosität. Der beobachtete dynamische Bereich des Detektors und die systematischen Unsicherheiten sind kompatibel mit den Anforderungen an Polarisationsmessungen in einer ILC-ähnlichen experimentellen Umgebung.
The planned International Linear Collider (ILC) will be an essential experiment to precisely determine the properties and structure of physics at the TeV scale. An important feature of the ILC is the possibility to use polarized electrons and positrons.
In part 1 of this thesis, a model independent search for Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) at ILC is presented. The signal channel under study is direct WIMP pair production with associated Initial State Radiation (ISR), e+e− → χχγ, where the WIMPs leave the detector without any further interaction, and only the emitted photon is detected. From the energy spectrum of the detected photons the coupling structure, cross sections, masses and the quantum number of the dominant partial wave in the production process can be inferred. The analysis includes the dominant SM, as well as machine-induced backgrounds, and is performed using a full simulation of the ILD detector concept. For an integrated luminosity of L = 500 fb−1, the signal cross sections can be measured to a precision of 3%, dominated by systematic uncertainties on the polarization measurement of the initial electrons and positrons. Masses can be measured to a precision of up to 2% by a comparison of the data photon spectrum to parametrized template spectra.
In part 2 of this thesis, a Cherenkov detector prototype for Compton polarimetry at ILC is presented. For the polarization measurement a systematic uncertainty of δP/P = 0.25% or better is envisioned. To achieve this goal, the Cherenkov detector has to be precisely aligned with the fan of Compton scattered electrons and its signal response needs to be highly linear. For the detector prototype data driven alignment strategies have been developed by comparing data recorded at the Elsa accelerator in Bonn, Germany, with detailed Geant4 simulations. With the use of multi-anode photomultipliers, data driven alignment strategies promise to provide the required precision. At ILC, these methods could reduce the luminosity spent on calibration scans considerably. The observed dynamic range and systematic uncertainties of the prototype detector are compatible with those expected for polarization measurements in an ILC-like environment.