Kurzfassung
Trotz des großen Erfolgs des Standard Modells (SM) der Teilchenphysik, gibt es
noch viele offene Probleme, die auf die Notwendigkeit neuer Physik hindeuten. Ei-
ne mögliche Erweiterung des SM is die Erweiterung um ein zusätzliches komple-
xes skalares Doublett und ein komplexes skalares Singulett, das sogenannte 'Two
Higgs doublet model with an additional complex scalar singlet' (2HDMS). Die-
ses Modell bietet einen erweiterten skalaren Sektor und führt zu insgesamt sie-
ben physikalischen Higgs-Teilchen, von welchen eines ein geeigneter Kandidat ist,
um dunkle Materie (DM) zu erklären. In dieser Arbeit wird die Phänomenologie
des 2HDMS-Modells mit Blick auf DM und Beschleunigerexperimente untersucht.
Dafür werden repräsentative Benchmark-Szenarios mit unterschiedlichen Massen
für den DM-Kandidaten ausgewählt - im Bereich leichter, mittlerer und schwerer
Masse. Die ausgewählten Benchmark-Szenarios stimmen mit allen herkömmlichen
theoretischen und experimentellen Grenzen überein und können in einigen Fällen
sogar einen experimentellen Überschuss, der bei etwa 95 GeV im b¯b-Kanal am Lar-
ge Electron-Positron Collider (LEP) und im γγ-Kanal am Large Hadron Collider
(LHC) beobachtet wurde, berücksichtigen. Mit Hinblick auf die Phänomenologie
von DM liegt der Fokus darauf, die experimentell vorhergesagte Dichte von DM im
heutigen Universum zu erreichen. Außerdem werden experimentelle Grenzen von di-
rekten und indirekten Detektionsexperimenten berücksichtigt. Mit Hinblick auf die
Phänomenologie von Beschleunigerexperimenten mit Teilchenkollisionen liegt der
Fokus auf experimentellen Signaturen, die relevant sind für den LHC und vorgeschla-
gene Leptonen-Teilchenbeschleuniger, wie Elektronen-Positronen-Beschleuniger und
Myonen-Beschleuniger.
Das 2HDMS-Modell, sowie andere Theorien, die über das SM hinaus gehen, kann
einen Phasenübergang erster Ordnung untergehen. Ein solcher Phasenübergang er-
folgt über das Formen von Blasen-artigen Regionen der neuen Phase. Ein weiterer
Fokus dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Geschwindigkeit der sich ausdehnenden
Blasen in solchen Phasenübergängen erster Ordnung, wobei Phasenübergänge mit
Symmetrie-Brechung und mit Symmetrie-Wiederherstellung betrachtet werden. Da-
bei können die Teilchen des umgebenden Plasmas einen Reibungsdruck auf die Wän-
de der Blasen auswirken. In standardmäßigen Übergängen mit Symmetrie-Brechung
kann dieser Druck von einem Vorgang namens 'Transition Radiation' dominiert
werden. Bei diesem Prozess strahlen Teilchen, die aus dem Plasma in die Blase
übergehen, ein weiteres Teilchen ab. Dieser Prozess wird verstärkt, wenn der Impuls
des abgestrahlten Teilchens gering ist. Der daraus resultierende Reibungsdruck ist
proportional zum Lorentzfaktor γ der sich ausdehnenden Wand der Blasen. Diese Abhängigkeit vom Lorenztfaktor führt dazu, dass die Expansionsgeschwindigkeit
der Blasen nicht unendlich beschleunigt werden kann, sondern ab einer bestimmten
Geschwindigkeit stagniert. Der Fokus dieser Arbeit liegt darauf den äquivalenten
Reibungsdruck in Phansübergängen mit Symmetrie-Wiederherstellung zu berech-
nen. Es wird gezeigt, dass der Druck in solchen Übergängen für niedrige Werte des
Lorentzfaktors negativ sein kann, was zu einer zusätzlichen Beschleunigung der Ex-
pansion führt. Jedoch wird für hohe Werte des Lorentzfaktors die gleiche positive
Proportionalität zum Lorentzfaktor erreicht, wie in Übergängen mit Symmetrie-
Brechung. Der finale Lorentzfaktor kann daher deutlich höher sein in Übergängen
mit Symmetrie-Wiederherstellung. Dies hat wichtige Konsequenzen für unterschied-
liche phänomenologische Anwendungen, zum Beispiel für Gravitationswellen bis hin
zu Physik, die über das SM hinaus geht.
Abstract Despite the huge success of the Standard Model (SM) of particle physics, many open problems indicate the need for New Physics. One particular extension of the SM is the Two Higgs doublet model with an additional complex scalar singlet (2HDMS). This model provides an enlarged scalar sector resulting in seven physical Higgs par- ticles, of which one is a suitable candidate to explain dark matter (DM). In this work the DM and collider phenomenology of the 2HDMS is investigated. Repre- sentative benchmark points with light, intermediate-range and heavy masses for the DM candidate are chosen. The benchmark points are consistent with all theoreti- cal and experimental constraints and, in some cases, also accommodate the excess around 95 GeV, observed in the b¯b channel at the Large Electron-Positron Collider (LEP) and in the γγ channel at the Large Hadron Collider (LHC). In terms of DM phenomenology, the focus is on matching the required DM relic density, as well as direct and indirect detection bounds of DM. In terms of collider phenomenology, the focus is on relevant signatures at the LHC and at proposed future lepton colliders, such as electron-positron colliders and a proposed muon collider. The 2HDMS model, as well as other beyond-the-Standard Model (BSM) theories, can provide a first-order electroweak phase transition (EWPT), which proceeds via the formation of bubbles. A second focus of this work is the investigation of the wall velocity of expanding bubbles from first-order phase transitions (FOPTs) with symmetry breaking and with symmetry restoration. In standard symmetry-breaking FOPTs, the frictional pressure on the expanding bubble walls can be dominated by transition radiation, the process of one particle from the surrounding plasma passing into the bubble and radiating off an additional particle. This process is enhanced in the soft-momentum limit of the radiated particle, and is known to produce significant frictional effects that are proportional to the Lorentz factor γ of the bubble wall. This dependence of the frictional pressure on the Lorentz factor prohibits runaway behaviour of the bubble walls. The focus of this work is on the analogous pressure for phase transitions with symmetry restoration. It is shown that, in such transitions the pressure due to transition radiation can be negative for small and intermediate Lorentz factors, leading to a further acceleration of the bubble wall. However, for very large Lorentz factors the pressure approaches the same positive scaling as the standard symmetry-breaking scenarios. Therefore, the terminal Lorentz factor of the bubble wall can be significantly larger (by more than an order of magnitude) than in the corresponding symmetry-breaking scenario. This can carry important implications for various phenomenological applications, from gravitational waves (GWs) up to BSM physics.