Theoretische Untersuchungen zum experimentellen Nachweis supersymmetrischer Teilchen an zukünftigen Beschleunigern.

Bei der Suche nach einer vereinheitlichten Theorie aller fundamentalen Wechselwirkungen der Elementarteilchen spielt die Supersymmetrie eine zentrale Rolle. Die supersymmetrische Erweiterung des Standard-Modells wird derzeit als die attraktivste theoretische Vervollständigung der bestehenden Theorie der starken und elektroschwachen Wechselwirkung angesehen. Supersymmetrie sagt zu jedem bekannten Teilchen ein neues Teilchen, den "supersymmetrischen Partner" voraus. Die experimentelle Suche nach diesen hypothetischen Teilchen hat an den bestehenden Hochenergie-Beschleunigern eine hohe Priorität und wird in Zukunft voraussichtlich noch wichtiger werden. In dem vorliegenden Projekt sollen theoretische Untersuchungen zur Produktion supersymmetrischer Teilchen an bestehenden und geplanten Beschleunigern durchgeführt werden. Das Ziel ist zu klären, wie diese hypothetischen Teilchen experimentell entdeckt werden könnten. Es sollen umfangreiche numerische Voraussagen über Produktionsraten und Zerfallswahrscheinlichkeiten supersymmetrischer Teilchen für den "Large Hadron Collider" (LHC) in Genf, den geplanten Linearen Elektron-Positron-Collider mit einer Schwerpunktsenergie zwischen 500 GeV und 2 TeV, sowie den vorgeschlagenen Myon-Collider mit einer Schwerpunktsenergie zwischen 500 GeV und 4 TeV erstellt werden. Diese Voraussagen sind für die Planung und Durchführung der entsprechenden Experimente unerläßlich. Die Antragsteller und ihre Mitarbeiter haben in den letzten Jahren als einzige österreichische Arbeitsgruppe in mehreren internationalen Teams und Workshops erfolgreich auf diesem Gebiet mitgearbeitet und mit ihrer Arbeit entscheiden dazu beigetragen zu klären, wie supersymmetrische Teilchen entdeckt werden können. Die in dem vorliegenden Projekt zu bearbeitenden Probleme ergaben sich aus der Mitarbeit an den erwähnten internationalen Workshops. Die folgenden Projektziele sollen erreicht werden: 1. Vorhersagen der Produktions- und Zerfallsraten der supersymmetrischen Teilchen und Higgs-Bosonen einschließlich von Strahlungskorrekturen. 2. Untersuchung der Effekte der zusätzlichen Quellen für CP Verletzung durch Supersymmetrie. 3. Berechnung der Zerfallsbreiten supersymmetrischer Teilchen bei Verletzung der R-Parität.

Supersymmetrische Teilchen sind hypothetische Teilchen, welche aufgrund von theoretischen Überlegungen in der Elementarteilchenphysik postuliert wurden. Zum Beispiel versteht man in supersymmetrisch erweiterten Theorien der Elementarteilchen die Vereinheitlichung aller fundamentalen Kräfte besser als in nicht-supersymmetrischen Theorien. Der experimentelle Nachweis dieser supersymmetrischen Teilchen wird als eine der vordringlichsten Aufgaben aller bestehenden und zukünftigen Hochenergie-Beschleuniger angesehen. Das wesentliche Ziel des vorliegenden Forschungsprojektes war es, jene theoretischen Untersuchungen durchzuführen, welche klarstellen wie an zukünftigen Beschleunigern supersymmetrische Teilchen nachgewiesen und wie ihre Eigenschaften studiert werden können. Einen breiten Raum nahmen in unserem Projekt die Berechnungen der Produktionsraten und der Zerfallswahrscheinlichkeiten von supersymmetrischen Teilchen am Elektron-Positron-Speicherring LEP und am Large Hadron Collider LHC (am CERN in Genf), sowie an einem zukünftigen Elektron-Positron-Linearcollider und an einem zukünftigen Muoncollider ein. Die Massen der supersymmetrischen Teilchen und ihre weiteren Eigenschaften errechneten wir dabei aus bestimmten Modell-Parametern. Wir untersuchten das analytische und numerische Verhalten der jeweiligen Produktions- und Zerfallsraten in Abhängigkeit von diesen Modell- Parametern. Unsere Ergebnisse sind wichtig für die Planung der entsprechenden Experimente an diesen zukünftigen Beschleunigern. Wir nahmen dabei auch an mehreren Internationalen Workshops teil. Aufgrund unserer Erfahrung auf diesem Gebiet wurden wir auch eingeladen, an der Abfassung des "Technical Design Reports" für den geplanten Elektron-Positron-Linearcollider TESLA mitzuwirken, welcher im März 2001 der Deutschen Bundesregierung vorgelegt wurde und der die Grundlage für die weiteren Beschlüsse betreffend diesen neuen Beschleuniger bildet. Es gilt als sicher, dass die Experimente an den zukünftigen Beschleunigern eine hohe Präzi-sion erreichen werden. Dementsprechend müssen die theoretischen Vorhersagen ebenfalls sehr präzise sein. Das erfordert die systematische Berücksichtigung bestimmter theoretischer Korrekturen, der sogenannten "Strahlungskorrekturen", in der genauen Berechnung gewisser Observablen. Die systematische Erfassung dieser Strahlungskorrekturen in super-symmetrischen Prozessen sowie die Entwicklung neuer analytischer Konzepte und mathematischer Methoden für ihre Berechnung nahmen einen sehr breiten Raum in unserem Projekt ein. Wir untersuchten dabei auch supersymmetrische Prozese in denen Higgs-Bosonen involviert sind. Dies sind ebenfalls hypothetische Teilchen, dessen Entdeckung es uns erlauben würde, den Ursprung der Massen der verschiedenen Elementarteilchen besser zu verstehen. Abschließend sei erwähnt, dass wir auch Effekte virtueller supersymmetrischer Teilchen systematisch untersuchten. Hier sind in erster Linie unsere Analysen möglicher neuer Phänomene der CP-Verletzung sowie gewisser seltener Zerfälle der B-Mesonen zu nennen. Weiterhin untersuchten wir auch supersymmetrische Modelle in denen die Quantenzahl der R-Parität verletzt ist.