In der vorliegenden Doktorarbeit wird eine minimale supersymmetrische Erweiterung des Standardmodells (MSSM) mit erhaltender R-Parität angenommen. Hierbei ist das leichteste Neutralino ein guter Kandidat für kalte, dunkle Materie. Durch den Vergleich der theoretisch vorhergesagten Neutralinorestdichte mit dem experimentell sehr genau bestimmten Wert, können strenge Grenzen an den MSSM-Parameterraum gesetzt werden. Um die experimentelle Genauigkeit zu erreichen, ist es notwendig, Unsicherheiten innerhalb der theoretischen Berechnung zu reduzieren. Eine der Hauptunsicherheiten liegt in der Berechnung des Wirkungsquerschnitts von Annihilations- und Koannihilationsprozessen des Dunkle-Materie-Teilchens.
In einer phänomenologischen Studie untersuchen wir das Zusammenspiel zwischen Neutralino-Neutralino-Annihilation, Neutralino-Stop-Koannihilation und Stop-Stop-Annihilation näher. Wir zeigen, dass Neutralino-Stop-Koannihilation signifikant zur Neutralinorestdichte beitragen kann. Auch hinsichtlich der Entdeckung eines Higgsbosons mit einer Masse von 125 GeV ist dieser Prozess sehr interessant.
Auf Grund dieser Motivation haben wir alle supersymmetrischen QCD-Korrekturen der Ordnung O(αs) zur Neutralino-Squark-Koannihilation berechnet. Wir beschreiben detailliert das von uns gewählte DR-bar/on-shell Renormierungsschema zur Behandlung der ultravioletten Divergenzen und präsentieren die sogenannte "phase space slicing"-Methode, mit der wir softe und kollineare Divergenzen isolieren. Zusätzlich gehen wir auf die spezielle Behandlung von auftretenden on-shell Zustände in Propagatoren ein.
Die gesamte Berechnung ist in das Softwarepaket DM@NLO implementiert worden und dient somit als Erweiterung zu existierenden Computerprogrammen, die eine numerische Berechnung der Restdichte dunkler Materie durchführen. Diese allerdings verwenden in ihrer Berechnung lediglich Wirkungsquerschnitte, die auf einem effektiven Born-Niveau berechnet worden sind.
Am Beispiel von drei Szenarien untersuchen wir den Einfluss der berechneten Korrekturen auf den Wirkungsquerschnitt der Annihilations- und Koannihilationsprozesse. Hierbei beobachten wir eine Korrektur von bis zu 30 %. Dies wiederum führt zu einer Korrektur von ca. 5-9 % auf die Neutralinorestdichte, was größer als die momentane experimentelle Unsicherheit ist. Es ist daher notwendig, die hier behandelten Korrekturen für eine präzise Vorhersage der Neutralinorestdichte zu berücksichtigen.
In this thesis, we assume a minimal supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM) with conserved R-parity such that the lightest neutralino is the cold dark matter candidate. A stringent constraint on the MSSM parameter space can be set by the comparison of the predicted neutralino relic density with the experimentally determined value. In order to match the high experimental precision, uncertainties within the theoretical calculation have to be reduced. One of the main uncertainties arises from the cross section of annihilation and coannihilation processes of the dark matter particle.
In a phenomenological study we investigate the interplay of neutralino-neutralino annihilation, neutralino-stop coannihilation and stop-stop annihilation. We demonstrate that neutralino-stop coannihilation contributes significantly to the neutralino relic density and is furthermore very well motivated due to the recent discovery of a 125 GeV Higgs boson.
Due to this ample motivation we have calculated the full O(αs) supersymmetric QCD corrections to neutralino-squark coannihilation. We show in detail our DR-bar/on-shell renormalization scheme for the treatment of ultraviolet divergences, and describe the phase space slicing method which is used to handle soft and collinear infrared divergences. Further, we comment on the treatment of occurring intermediate on-shell states.
The whole calculation is provided within the numerical tool DM@NLO that serves as an extension to existing relic density calculators, which consider only an effective tree-level calculation.
Based on three example scenarios we study the impact of the NLO corrections on the total (co)annihilation cross section, and observe corrections of up to 30%. This leads to a correction of 5-9% on the relic density, which is larger than the current experimental uncertainty and is, thus, important to be taken into account.