Kurzfassung
Der International Linear Collider (ILC) ist ein geplanter Elektron-Positron-Collider mit polarisierten Strahlen und Schwerpunktsenergien von bis zu 500 GeV. Hochpräzissionsmessungen von Observablen des Standardmodells und Suchen nach neuen Teilchen bilden eine Ergänzung zum Potenzial des Large Hadron Colliders (LHC).
Eine der bedeutesten offenen Fragen in der Physik ist die Natur der Dunklen Materie. Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) sind mögliche Kandidaten für Dunkle Materie, welche an Beschleunigern gesucht werden können. In dieser Arbeit wird die erwartete Sensitivität für ein WIMP-Signal am ILC in einer Monte-Carlo-Studie untersucht. Es wird angenommen, dass die WIMPs paarweise produziert werden, zusammen mit einem Photon aus Abstrahlung im Anfangszustand, durch das der Prozess identifiziert werden kann.
Bei /sqrt{s}=500 GeV wird unter Einbezug von strahlinduzierten Untergründen und des Luminositätsspektrums eine Detektorsimulation für das Konzept des International Large Detectors (ILD) durchgeführt. Im Vergleich zu früheren Studien werden viele Aspekte realistischer beschrieben: z.B. wurden die Schnitte in der Ereignisgenerierung verbessert, eine vollständige Beschreibung der Rekonstruktion in der wichtigen Vorwärtsregion wurde hinzugefügt und die systematischen Unsicherheiten des Luminositätsspektrums wurden zum ersten mal vollständig behandelt.
Um die WIMP-Suche modellunabhängig durchzuführen, wird für die Beschreibung der neuen Wechselwirkung der Ansatz effektiver Operatoren ausgewählt. Mit den Photonenergiespektren für verschiedene Signalhypothesen und der Verteilung des Standardmodell-Untergrunds werden die erwartete 5/sigma-Entdeckungsreichweite und 2/sigma-Ausschlussgrenzen berechnet. Werden 20 Jahre Betrieb angenommen, können z.B. für einen Vektoroperator Energiebereiche bis zu 3 TeV für WIMP-Massen /lesssim250 GeV getestet werden. Mit Strahlpolarisation kann die Sensitivität gesteigert werden und mithilfe von Datensätzen mit unterschiedlichen Polarisationskonfigurationen kann der Effekt der systematischen Unsicherheiten maßgeblich reduziert werden. Die Rolle der Akzeptanz in der Vorwärtsregion für die Unterdrückung des Bhabhastreuungs-Untergrunds wird quantifiziert.
Mit zwei unterschiedlichen Ansätzen können genäherte Sensitivitäten bei anderen Schwerpunktsenergien als die 500 GeV der vollen Simulation berechnet werden, wodurch Ergebnisse für das volle ILC-Programm gegeben werden können. Z.B. können in einer Anfangsphase mit /sqrt{s}=250 GeV Energiebereiche bis zu 1.4 TeV untersucht werden, während bei /sqrt{s}=1 TeV Energiebereiche bis zu 4.5 TeV untersucht werden.
The International Linear Collider (ILC) is a planned electron-positron collider with polarised beams and centre-of-mass energies of up to 500 GeV. By performing high-precision measurements of Standard Model observables and searches for new particles it can complement the potential of the Large Hadron Collider (LHC). One of the most prominent open questions in physics is the nature of dark matter. Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) are possible candidates for dark matter, which can be searched for at colliders. In this thesis, the expected sensitivity to a WIMP signal at the ILC is explored in a Monte Carlo study. The WIMPs are assumed to be produced in pairs together with a photon from initial state radiation, through which the process can be identified. A detector simulation at /sqrt{s}=500 GeV is performed for the International Large Detector (ILD) concept, including beam-induced backgrounds and the luminosity spectrum. In comparison to previous studies many aspects of the analysis are treated in a more realistic way: e.g. the cuts in the event generation have been updated, a complete description of the reconstruction in the crucial forward region has been added and the systematic uncertainties of the luminosity spectrum have been fully treated for the first time. In order to provide a model-independent WIMP search, the approach of effective operators is chosen to describe the new interaction. The photon energy spectra for different signal hypotheses and the distribution of the Standard Model background are used to calculate the expected 5$/sigma$ discovery reach as well as the 2/sigma exclusion limits. For the example of a vector operator, energy scales of up to 3 TeV can be tested for WIMP masses /lesssim250 GeV assuming 20 years of operation. With beam polarisation the sensitivity can be increased and with the help of data sets taken with different polarisation configurations the effect of the systematic uncertainties can be significantly reduced. The role of the forward acceptance for the suppression of the Bhabha scattering background is quantified. With two different approaches, estimates for the sensitivity at other centre-of-mass energies than the 500 GeV of the full simulation can be calculated. This allows to provide results for the full ILC programme, e.g. energy scales of up to 1.4 TeV can be probed with an initial stage of the ILC at a centre-of-mass energy of 250 GeV, while energy scales of up to 4.5 TeV could be probed at /sqrt{s}=1 TeV.