In dieser Arbeit diskutieren wir unterschiedliche phänomenologische Aspekte eines supersymmetrischen Szenarios, in dem das leichteste supersymmetrische Teilchen (LSP) superschwach wechselwirkt, wie etwa das Gravitino. Die schwache Kopplung an das nächstleichtere supersymmetrische Teilchen (NLSP) kann zu extrem langen Lebensdauern des NLSP führen. Dies hat weit reichende Konsequenzen für die Phänomenologie im frühen Universum und an Beschleunigerexperimenten. Wir machen keine einschränkenden Annahmen über das High-Scale-Modell sondern arbeiten mit vereinfachten Modellen und im phänomenologischen MSSM (pMSSM).
Im ersten Teil untersuchen wir die LHC-Sensitivität und ihre Abhängigkeit vom Superteilchen-Spektrum mit einem Schwerpunkt auf starker Produktion und Zerfall. Wir formulieren geeignete vereinfachte Modelle, welche konservative Abschätzungen der Signaleffizienzen von beliebigen Spektren erlauben und durch eine kleine Anzahl von Parametern beschrieben werden. Wir zeigen, dass die Anwendung der vereinfachten Modelle im betrachteten Szenario besonders geeignet ist. Durch die Erarbeitung von Schnitten, die eine große Signaleffizienz im gesamten Parameterraum ermöglichen, ermitteln wir das Entdeckungs- und Ausschlusspotential des LHC. Wir zeigen, dass die Signatur langlebiger Sleptonen härtere Einschränkungen an den Parameterraum bewirkt als es für den vielstudierten Fall eines Neutralino-LSP-Szenarios der Fall ist. Darüber hinaus untersuchen wir die Auswirkungen der jüngsten LHC-Ergebnisse auf die kosmologische Gültigkeit eines Szenarios mit einem langlebigen Stau-NLSP. Zu diesem Zweck führen wir einen Monte-Carlo-Scan über den Parameterraum des pMSSM durch, wobei wir die Implikationen eines Higgs-Bosons mit einer Masse von rund 125 GEV und der Null-Suchen nach schweren stabilen geladenen Teilchen im 7 und 8 TEV LHC-Lauf in den Mittelpunkt stellen. Ferner betrachten wir Grenzen von MSSM-Higgs-Suchen, von Flavor- und Präzisionsobservablen sowie der theoretischen Forderung von Vakuumstabilität. Insbesondere erarbeiten wir die Auswirkungen auf den erlaubten Bereich für die Stau-Häufigkeit nach deren Einfrieren im frühen Universum. Wir führen eine umfangreiche Suche nach Regionen mit kleinen Stau-Häufigkeiten durch und berücksichtigen dabei das Auftreten von Co-Annihilationseffekten, Resonanzeffekten, Effekte von verstärkter Higgs-Sfermion-Kopplung und deren Kombinationen. Die Ergebnisse zeigen, dass Punkte mit Stau-Häufigkeiten von Y≅2·10-16 und Y≅5·10-15 in Gegenwart und in Abwesenheit von signifikanter Links-Rechts-Mischung im Stau-Sektor, respektive, erlaubt sind. Darüber hinaus kann durch Spezifizierung des LSP als Gravitino explizit die Verbindung hergestellt werden zwischen der Gültigkeit der Parameterpunkte im Kontext von kosmologischen Beobachtungen und den Grenzen aus Laborbeobachtungen. Aus der Forderung, dass die Gravitinohäufigkeit mit der gemessenen Häufigkeit der Dunklen Materie übereinstimmt und unter Einbeziehung von thermischer und nicht-thermische Gravitino Produktion berechnen wir die resultierende Reheating-Temperatur in einem erweiterten Monte-Carlo-Scan. Wir finden erlaubte Punkte mit Reheating-Temperaturen von TR≥109GEV die alle genannten Schranken passieren.
We study the phenomenology of a supersymmetric scenario where the next-to-lightest superparticle (NLSP) is the charged slepton and is long-lived due to a lightest superparticle (LSP) which is a super weakly interacting massive particle (superWIMP), like the gravitino. This has far-reaching consequences for the cosmological history of the universe on the one hand and for the signatures at colliders on the other hand. We do not assume any high-scale model for the mediation of SUSY breaking to the MSSM but work along the lines of simplified models and the phenomenological MSSM (pMSSM).
In a first part, we investigate the LHC sensitivity and its dependence on the superparticle spectrum with an emphasis on strong production and decay. We formulate appropriate simplified models that allow to conservatively approximate the signal efficiencies of arbitrary spectra from a small number of decisive parameters. We found that the application of simplified models is especially suitable in the considered scenario. Devising cuts that yield a large detection efficiency in the whole parameter space, we determine the discovery and exclusion potential of the LHC. We found that the prominent signature of long-lived sleptons allows to extract more robust constraints on the parameter space than for the widely studied case of a neutralino LSP scenario.
In addition, we study the implications of the recent LHC results on the cosmological validity of a superWIMP Dark Matter scenario with a long-lived stau NLSP. Therefore, we work in a pMSSM framework and perform a Monte Carlo scan over the pMSSM parameter space highlighting the implications of a Higgs around 125 GEV and the null-searches for heavy stable charged particles at the 7 and 8 TEV LHC. Further, we consider bounds from MSSM Higgs searches, from flavor and precision observables as well as from the theoretical requirement of vacuum stability. In particular we work out the impact on the allowed range for the stau yield after freeze-out. We provide a thorough survey for low stau yields including co-annihilation effects, resonance effects and effects from enhanced Higgs couplings and combinations thereof. We found allowed points down to Y≅2·10-16 and Y≅5·10-15in the presence and absence of significant left-right mixing in the stau sector, respectively.
In addition, by specifying the superWIMP to be the gravitino we explicitly connect the cosmological viability of parameter points with the bounds derived from laboratory observations in an extended Monte Carlo scan. Requiring the right Dark Matter abundance of the gravitino and incorporating thermal and non-thermal gravitino production we compute the required reheating temperature for each point and impose current bounds from Big Bang nucleosynthesis. We found points with a reheating temperature as high as TR≥109GEV ---as required by thermal leptogenesis---that pass all mentioned constraints.