Diese Doktorarbeit beschreibt die Entwicklung und Anwendung des
AstroFitProgramms. Viele Studien weisen die Existenz von dunkler Materie (DM) nach. Hierbei handelt es sich um einen Massenbestandteil, der über achtzig Prozent der gesamten Masse des Universums ausmacht. Angefangen bei historischen astrophysikalischen Anzeichen bis hin zu Rekonstruktionen mit fortschrittlichen Methoden lassen sich die gravitativen Auswirkungen von DM darstellen, jedoch bleibt ihre Beschaffenheit unbekannt. Es gibt theoretische Erklärungen von DM, beispielsweise als schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs), innerhalb bestimmter Modelle. Die Mehrheit dieser Theorien erweitert das existierende Standardmodell der Teilchenphysik (SM), so dass neue Elementarteilchen den Kanon des SMs ergänzen. Eine dieser Theorien ist das ‘constrained supersymmetric standard model’ (CMSSM), welches in seinem Rahmen auf natürliche Weise ein geeignetes Teilchen einführt, das eine mögliche Erklärung für DM liefert.
Experimentell wird auf drei verschiedene Weisen nach DM gesucht. Erstens direkt durch sogenannte fixed-target Experimente, mit denen Wechselwirkungen zwischen WIMPs und Kernteilchen des Detektormaterials gemessen werden. Zweitens indirekt durch die Rekonstruktion von Signaturen dunkler Materie in Spektren bekannter Teilchen, welche mit Ballonexperimenten, Weltraumsatelliten oder bodengestützten Teleskopen beobachtet werden. Und drittens indirekt durch die Erzeugung von DM in Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) und durch die Rekonstruktion der Energien, wobei fehlende transversale Energie den DM-Teilchen zugeordnet wird. Sogenannte ‘global fit’-Programme ermitteln unter gleichzeitiger Berücksichtigung aller Parameter jene Parameterkonfigurationen einer Theorie jenseits des SM, die mit den gemessenen und beobachteten Daten übereinstimmen. So können theoretische Modelle erforscht und ihr Parameterraum zu beschränkt werden. Das Schnittstellenprogramm AstroFit wurde entwickelt, um alle vorhandenen Daten aus direkter und indirekter Suche nach DM sowie Daten über die Produktion neuer Teilchen in Teilchenbeschleunigern in solchen ‘global fits’ zu vereinen. Hierdurch wird zudem die Komplementarität auf dem Gebiet der DM-Forschung untersucht. Eine mögliche Verwendungsweise von AstroFit wird in einem kombinierten ‘global fit’ mit dem Programm
Fittinogezeigt, in der Parametereinstellungen des CMSSMs mit experimentellen Daten aus direkter und indirekter Suche sowie Beschleunigerdaten ermittelt wurden. Ergebnisse und Perspektiven werden in dieser Arbeit dargestellt. Ferner wird gezeigt, auf welche Weise eine Kombination der Messdaten von komplementären Experimenten und Beobachtungen eine stärkere Einschränkung potentieller theoretischer Modelle ermöglicht.
This doctoral thesis describes the development and application of the
AstroFitprogram. Many studies have shown the existence of dark matter (DM), a mass component that constitutes over eighty percent of the entire matter in the Universe. From historical astrophysical evidence to latest reconstructions with sophisticated methods, the gravitational effect of DM can be shown, but its nature remains unknown. Many theoretical explanations aim at describing DM, for example as weakly interacting massive particles (WIMPs), within particular frameworks. The majority of these frameworks extend the existing standard model of particle physics (SM), so that new particles are added to the known set of elementary particles. One of these frameworks is the constrained supersymmetric standard model (CMSSM) that naturally introduces a DM candidate in form of the lightest supersymmetric particle (LSP).
Searches for DM particles are undertaken in three different ways. First, directly with fixed-target experiments that measure WIMPs coming towards the Earth with nuclei of the target material. Second, indirectly by reconstructing DM signatures in particle spectra of known particles observed with ground-based telescopes, space-borne satellites or balloon-borne experiments. And third, indirectly via direct production of DM at particle colliders such as the Large Hadron Collider (LHC) and energy reconstructions where missing transverse energy is presumably carried away by the DM particles. Global fit programs used in particle physics, such as
Fittino, are designed to fit parameters of theories beyond the SM simultaneously that are in accordance with the experimental and observed data in order to probe models and constrain the parameter space. To explore complementarity in DM research, the
AstroFitinterface program has been developed to combine all available information from direct and indirect searches for DM as well as collider searches for new physics in such global fits. To demonstrate possible applications of
AstroFit, a combined fit of the CMSSM has been performed with \texttt{Fittino} and \texttt{AstroFit} using results from direct, indirect and collider searches. The results and prospects from such a fit are illustrated. Moreover, it is shown how such a combination of data from complementary experiments and observations can constrain potential theoretical models even further.