Kurzfassung
Supersymmetrische (SUSY) Theorien wie das Minimale Supersymmetrische Standard-
modell (MSSM) sagen ein erweitertes Teilchenspektrum inklusive eines erweiterten Higgs-Sektors voraus, um damit Fragen zu beantworten, die nach der bisherigen Datennahmedes “Large Hadron Collider” (LHC) noch offen geblieben sind. Obwohl am LHC sehrintensiv nach weiteren Higgs-Bosonen gesucht wurde, gibt es keine Anzichen auf weitere Higgs-Bosonen neben dem beobachteten Signal bei 125 GeV. Bisher berücksichtigten die Suchen jedoch keine CP-verletzenden Effekte im Higgs-Sektor, obwohl Letztere insbesondere durch die Baryonasymmetrie im Univesum gut motiviert sind. Zudem haben sie einen erheblichen Einfluß auf die Higgs-Phänomenologie. Im allgemeinsten Fall mit komplexen MSSM-Parametern sind die drei neutralen Higgs-Bosonen schleifenkorrigierte Masseneigenzustände {h_1, h_2, h_3}, die Mischungen der CP-geraden und -ungeraden Higgs-Zustände in niedrigster
Ordnung Störungstheorie sind. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf Effekte dieser komplexen Parameter auf die Produktionswirkungsquerschnitte der Higgs-Bosonen und auf die Interferenzen, die zwischen massenentarteten Higgs-Bosonen auftreten. Die Arbeit gliedert sich in drei Teile: Im ersten Teil diskutieren wir Korrekturen höherer Ordnung im Higgs-Sektor. Wir berechnen den inklusiven Wirkungsquerschnitt für die Produktion durch Gluon-Fusion und Bottom-Quark Paarvernichtung. Die Vorhersagen für Gluon-Fusion basieren auf einer
expliziten Berechnung des Wirkungsquerschnittes in führender Ordnung Störungstheorie für den allgemeinsten Fall komplexer Paramter. Dieses Resultat wird ergänzt durch Korrekturen höherer Ordnung. Die Wirkungsquerschnitte durch Bottom-Quark Paarvernichtung werden durch eine Reskalierung gewonnen. Im zweiten Teil beschreiben wir die Implementierung unserer Wirkungsquerschnittsberechnung in einer Erweiterung des numerischen Programmes SusHi namens SusHiMi. Wir nutzen SusHiMi um die Effekte der Phase der trilinearen Kopplung des Higgs-Bosons an Stop-Squarks und der Phase des Gluino-Massenparameters auf die neutralen Higgs-Boson Wirkungsquerschnitte, die Higgs-Massen und deren Mischung zu untersuchen. Wir zeigen, dass die Squarkeffekte stark von den Phasen der komplexen Parameter abhängen und betonen die Bedeutung der Resummation von Squarkeffekten in der
Bottom-Quark Yukawa-Kopplung. Desweiteren zeigen wir in einem Szenario, in dem zwei schwere Higgs-Bosonen h_2 und h_3 stark mischen und nahezu massenentartet sind, dass die beiden Higgs-Bosonen als getrennte Signale experimentell im
allgemeinen nicht auflösbar sind, sondern nur die Summe der Wirkungsquerschnitte inklusive des Interferenzterms experimentell bestimmbar ist. Zuletzt lassen wir unserere Wirkungsquerschnittsberechnung in einen Formalismus einfließen, der die hervorgerufene Interferenz zwischen den Higgs-Bosonen im Falle von
CP-Verletzung berücksichtigt. Für den Prozess bb̄ → h_2, h_3 → τ^+τ^− zeigen wir die starke desktruktive Interferenz für ein in dieser Arbeit definiertes Szenario. In einem solchen Fall sind Parameterregionen erlaubt, die im reellen Fall der Parameter (ohne Interferenzbeiträge) durch LHC Suchen bereits ausgeschlossen wären.
Supersymmetric (SUSY) theories such as the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) predict a new particle spectrum, including an extended Higgs sector, in order to address fundamental questions that remain unanswered with the results obtained at the Large Hadron Collider (LHC) so far. Despite an extensive programme to search for additional Higgs bosons at the LHC , no new Higgs-like particles have been observed beyond the discovered signal at 125 GeV. Such searches have not taken into account CP-violating effects in the Higgs sector, which are well-motivated in the light of the perceived baryon asymmetry in the universe, and which can induce significant deviations in the phenomenology of the Higgs bosons. The search for additional Higgs bosons should therefore account for the possibility that they may not necessarily be CP-eigenstates. In the most general case where the MSSM parameters can be complex, the three neutral Higgs bosons of the theory are the loop-corrected mass eigestates {h_1, h_2, h_3}, which are admixtures of the tree-level CP-even and CP-odd Higgs states. This thesis focusses on the effects of complex parameters on the production cross sections of these Higgs bosons and the interference occurring between nearly mass-degenerate Higgs states. In the first part of this thesis, we discuss higher-order corrections in the Higgs sector which give rise to CP-violating mixing between the tree-level mass eigenstates, and present a computation of inclusive cross sections for the production of the CP-admixed Higgs bosons through gluon fusion and bottom-quark annihilation. The predictions for the gluon-fusion process are based on an explicit calculation of the leading-order cross section for the general case of arbitrary complex parameters, supplemented by various higher-order corrections. The cross sections for the bottom-quark annihilation process are treated with a simple re-weighting procedure. In the next part, we describe the implementation of our cross section predictions into an extension of the numerical code SusHi, named SusHiMi. In our numerical analysis, we employ SusHiMi to study the effects of the phase of the soft SUSY-breaking trilinear coupling of the Higgs with the top squark, and of the phase of the gluino mass parameter on the neutral Higgs cross sections, masses, and mixings. We demonstrate that squark effects can be strongly dependent on the phases of the complex parameters, and emphasise the relevance of the resummation of squark effects in the bottom-Yukawa coupling. Furthermore, we show that in a scenario where the two heavy Higgs bosons, h_2 and h_3 , are strongly admixed and nearly mass-degenerate, experimentally resolving the two Higgs bosons as separate signals may not be possible. Only the sum of their cross sections including interference terms can be measured experimentally. Finally, we incorporate our cross section predictions into a formalism to account for the CP-violating interference between the Higgs bosons. In the prediction of the process bb̄ → h_2, h_3 → τ^+τ^−, we show that strongly destructive interference arises in the benchmark scenario defined in this thesis. Consequently, considerable parameter regions escape the exclusion bounds, which would be ruled out in LHC searches which neglect these interference contributions.