Kurzfassung
In dieser Arbeit werden unterschiedliche Szenarien für die elektroschwache Symmetriebrechung untersucht. Dazu werden Modelle betrachtet, in denen der Skalarsektor des Standardmodells (SM) um zusätzliche Felder erweitert wird. In einer Erweiterung des SM um skalare Singletfelder wird die resonante Produktion von mehreren Skalaren analysiert. Die daraus resultierenden Beispielszenarien veranschaulichen viele bisher ungeprüfte Signaturen mit Higgs-nach-Higgs-Zerfällen, die zur Entdeckung zusätzlicher Skalare beitragen könnten. Obwohl viele Eigenschaften des 125 GeV Higgs-Bosons (h125) bereits präzise gemessen sind, könnte es sich bei h125 dennoch um einen CP-Mischzustand mit erheblicher Beimischung einer pseudoskalaren Komponente handeln. Im Kontext des CP-verletzenden zwei Higgs Doublet Modells (2HDM) wird diese Möglichkeit sowie die Auswirkungen von Obergrenzen an elektrische Dipolmomente von Fermionen diskutiert. Die Yukawa-Kopplungen von h125 können im 2HDM maximal CP-verletzend sein, ohne dass sich Widersprüche zu aktuellen Messungen zeigen. Der Higgs-Sektor könnte auch CP-Verletzung enthalten, die auf einen dunklen Sektor beschränkt ist. In dem minimalen Modell, das dieses Szenario ermöglicht, kann die CP-Verletzung prinzipiell durch anomale Triple-Eich-Kopplungen beobachtet werden. Der CP-verletzende Formfaktor dieser Kopplungen sowie die daraus resultierenden Asymmetrien sind jedoch selbst bei maximaler CP-Verletzung so klein, dass es schwierig sein wird, CP-verletzende Effekte zu beobachten. In diesem und vielen anderen Modellen ist der Skalarsektor so kompliziert, dass dessen Vakuumstruktur nur numerisch untersucht werden kann. Mit einem neuartigen Ansatz können Einschränkungen aus der Vakuumstabilität auf effiziente und zuverlässige Weise bestimmt werden, sodass sie auch für den Einsatz in großen Parameterscans von BSM-Modellen zur Verfügung stehen. Diese Methode wird, in Kombination mit einer analytischen Untersuchung, auf das N2HDM angewandt, in welchem das 2HDM um ein reelles Singletfeld erweitert wird. Im Gegensatz zum 2HDM gibt es im N2HDM Parameterbereiche, in denen das elektroschwache Vakuum instabil gegenüber Ladungs- oder CP-brechenden Minima ist. Bei der Untersuchung der vollständigen Vakuumstruktur des N2HDM mit unserer numerischen Methode ergeben sich direkte Einschränkungen aus der Vakuumstabilität an die Modellvorhersage für die Zerfallsrate des h125 in zwei Photonen. Schließlich werden Einschränkungen aus der Vakuumstabilität in einigen Beispielszenarien der minimalen supersymmetrischen Erweiterung des SM bestimmt und für einen Vergleich unserer Methode zu Ergebnissen in der Literatur genutzt. Dabei zeigt sich eine gute Übereinstimmung und, dass die bessere numerische Stabilität unseres Ansatzes zu verlässlicheren Ergebnissen bei deutlich reduzierter Laufzeit führen kann. Die phänomenologischen Studien, die in dieser Arbeit durchgeführt werden, haben das Ziel, zu einem besseren Verständnis der elektroschwachen Symmetriebrechung beizutragen und die Erforschung von Modellen mit erweiterten Skalarsektoren mithilfe kommender experimenteller Resultate zu erleichtern.
We explore different scenarios of electroweak symmetry breaking by studying the phenomenology of several models that extend the scalar sector of the Standard Model (SM). We investigate resonant multiscalar production in a singlet extension of the SM. The resulting benchmark scenarios illustrate many previously unstudied signatures of Higgs-to-Higgs decays that could serve as discovery channels for additional scalars. While many properties of the 125 GeV Higgs boson (h125) are precisely measured, it could nevertheless be a CP-mixed state with a sizeable CP-odd admixture. We investigate this possibility in the CP-violating two-Higgs-doublet model (2HDM) and discuss the impact of bounds from fermionic electric dipole moments. We find that maximally CP-violating Yukawa couplings of h125 are compatible with current measurements. The Higgs sector could also contain CP violation that is confined to a dark sector. In the minimal model that allows this possibility, we find that the CP violation is in principle observable through loop-induced anomalous triple gauge couplings. However, the CP-violating form factor and the resulting asymmetries are strongly suppressed, making them challenging to observe even for maximally CP-violating scenarios. In many beyond the SM models with extended scalar sectors --- for example in this dark sector model --- the scalar potential is so complicated that its vacuum structure can only be studied numerically. We present a novel approach to vacuum stability constraints that aims at an efficient and reliable evaluation for use in large parameter scans of BSM models. We study the vacuum structure of the next-to 2HDM (N2HDM) --- an extension of the 2HDM by a real scalar singlet. We show analytically that --- in contrast to the 2HDM} --- the electroweak vacuum of the N2HDM is not necessarily stable against charge- or CP-breaking vacua. Using our numerical approach, we study the phenomenological consequences of the intricate N2HDM vacuum structure and find a direct constraint from vacuum stability on the predictions for the decay of h125 into two photons. We finally derive vacuum stability constraints on benchmark scenarios in the minimal supersymmetric extension of the SM. We validate our approach against results in the literature and find good agreement. In particular, we show that the better numerical stability of our approach can lead to more reliable results in a fraction of the runtime of alternative methods. The phenomenological studies carried out in this thesis aim to contribute to a better understanding of electroweak symmetry breaking and facilitate the exploration of models with extended scalar sectors using future experimental results.