Exploring the Limits of the WIMP Paradigm

Schwach wechselwirkende massive Teilchen ($\textit{engl. weakly interacting massive particles}$ (WIMP)) können eine mögliche Antwort auf die Frage nach der zugrunde liegenden Natur von dunkler Materie darstellen. In dieser Arbeit werden wir das sogenannte WIMP-Paradigma in verschiedenen theoretischen Modellen untersuchen, um ein tieferes Verständnis der Observablen des dunklen Materieteilchens zu gewinnen. Diese können in gegenwärtigen und zukünftigen Experimenten getestet werden.

Um weiterführende Einblicke in die Auswirkungen experimenteller Einschränkungen auf Scans im Parameterbereich und das Zusammenspiel der Parameter zu erhalten, werden wir das komplexe Zwei-Higgs-Dublett-Modell untersuchen. ... mehrHierbei werden wir die theoretisch erlaubte Ladungs- und Paritätsverletzung in den fermionischen Kopplungen zum Standardmodell-Higgsteilchen quantifizieren. Dabei werden wir moderne Machine-Learning-Algorithmen zur Verbesserung unserer Scanverfahren einsetzen.

Die Untersuchung des nichtminimalen supersymmetrischen Standardmodells kann aufgrund der großen Anzahl an Parametern zu einer mühsamen Aufgabe werden. Wir entwickeln deshalb ein Tool, mit dem man den Parameterraum bequem untersuchen kann. Als Proof-of-Concept wird der Wirkungsquerschnitt für die resonante Produktion eines nicht im Standardmodell enthaltenden Higgsbosons maximiert, welches in verschiedene Endzustände zerfällt. Des Weiteren berechnen wir in diesem Modell die Reliktdichte der dunklen Materie sowie den Wirkungsquerschnitt für den direkten Nachweis von dunklen Materieteilchen in Streuexperimenten. Hierfür wird der Code $\texttt{RelExt}$ erweitert, indem die Berechnung der Reliktdichte und des Wirkungsquerschnittes für die dunkle-Materie-Streuung an Nukleonen implementiert wird.

Darüber hinaus wird die Reliktdichte im Kontext der komplexen Singulett-Erweiterung des Standardmodells auf nächsthöherer Ordnung berechnet. Dabei wird gezeigt, dass die Hinzunahme von Korrekturen höherer Ordnung wichtig ist, um den Parameterbereich von Dunkle-Materie-Modellen besser zu verstehen. Diese Arbeit wird als Proof-of-Concept dienen, um in zukünftigen Arbeiten die Berechnung der Reliktdichte auf nächsthöherer Ordnung für beliebige Modelle in $\texttt{RelExt}$ zu automatisieren.

Weakly-Interacting-Massive-Particles (WIMP) provide a possible solution to the unanswered question of the underlying nature of dark matter in the universe. In this thesis, we explore the WIMP paradigm with different theoretical frameworks in order to get a deeper understanding of dark matter observables, which can be tested in current and future experiments.

In order to gain further insight into the impact of experimental constraints on parameter scans and their interplay with each other, we investigate the complex Two-Higgs Doublet model. Here, we quantify the allowed CP-violation in the fermionic couplings to the Standard Model-like Higgs boson. ... mehrTo improve our scanning procedure, we furthermore employ modern machine learning algorithms.

Exploring the parameter space of the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model can become a tedious task, due to the large number of parameters in the model. We therefore develop the tool $\texttt{NMSSMScanner}$, which allows us to explore the parameter space in a convenient way. As a proof-of-concept, we maximize the production cross section of a resonant non-Standard Model-like Higgs boson decaying into various final states. Furthermore, we calculate the dark matter relic density and direct detection cross section in this model to further constrain the available parameter space with experimental data. To incorporate these features into our toolchain, the dark matter code $\texttt{RelExt}$ is extended by an implementation of the calculation of the relic abundance and the direct detection cross section in this theoretical framework.

In addition, we calculate the dark matter relic density at next-to-leading order including electroweak and QCD corrections in the framework of the Complex Singlet Extension of the Standard Model. We argue that the inclusion of higher-order calculations is important in understanding the parameter space in dark matter models. This work is used as a proof-of-concept, in order to automate the next-to-leading order relic density calculation in $\texttt{RelExt}$ for arbitrary models in future works.