Collider Phenomenology of Dark Matter models

espanolLa Materia Oscura (MO) constituye el 27% del contenido del Universo y compone el 85% de la materia total. Dentro del Modelo Estandar (ME) de las interacciones fundamentales no hay ninguna manera de poder explicar este tipo de materia invisible, por ello es necesario extenderlo. Ademas el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) ha empezado su segunda puesta en marcha despues de haber sido mejorado hasta tener una energa en el centro de masas de 13 TeV. Debido a que en el anterior funcionamiento a 8 TeV fue muy exitoso, donde se encontro el boson de Higgs y se pusieron muchos lmites a nuevos modelos, se espera encontrar se~nales nos indiquen Nueva Fsica en esta nueva con guracion. Esta Tesis esta dedicada a estudiar la fenomenologa en colisionadores de cuatro modelos de MO. Dos de ellos entran dentro de los llamados portales de MO, donde una partcula mediadora es la responsable de las interacciones entre el sector oculto y la materia ordinaria. El primero de dichos modelos es una extension escalar singlete del ME donde se estudian los lmites experimentales a la masa y el angulo de mezcla del nuevo boson de Higgs. Tambien estudiamos la produccion de este boson escalar en el LHC analizando la desintegracion a dos Higgses del ME que se desintegran en el canal H ! hh ! bbWW ! bb`+`􀀀. El segundo modelo de portal de MO esta basado en extensiones U(1) del grupo del ME, motivados por modelos fenomenologicos de teora de cuerdas. El boson Z0 que aparece en las simetras U(1), se convierte en el mediador entre el sector de MO y la materia visible. Debido a la naturaleza de los acoplos del mediador, aparece un patron de violacion de isospn en las interacciones entre ambos sectores. Este hecho tiene un fuerte impacto en los experimentos de deteccion directa de MO dado que este tipo de interacciones se acopla a neutrones y a protones de manera diferente, en contraste con la mayora de modelos que hay en la literatura donde ambos acoplos son iguales. Los otros dos modelos tratados en esta Tesis son extensiones del modelo estandar supersimetrico mnimo. El primero de ellos esta basado en una extension con un singlete del modelo estandar supersimetrico mnimo con sneutrinos dextrogiros. En esta construccion el sneutrino dextrogiro es buen candidato a MO mientras que el neutrino dextrogiro tiene un tiempo de desintegracion muy largo debido a que su anchura de desintegracion es proporcional al acoplo Yukawa del neutrino predicho muy peque~no por la teora. La desintegracion tarda de los neutrinos dextrogiros deja se~nales claras en el LHC en forma de vertices desplazados. Otra se~nal exotica de esta construcci on es la produccion de staus con vida media larga que podran escapar del detector dejando una traza cargada. El segundo modelo supersimetrico es la extension del modelo mnimo de supersimetra con un triplete que hace que aumente el sector electrodebil fermionico y como consecuencia las desintegraciones del Higgs, h ! y h ! Z , inducidas por loops, se ven aumentadas hasta un 40{60% comparadas con aquellas del ME. Ademas estos nuevos estados son relevantes para la fenomenologa de MO. De hecho, se encuentra que el mas ligero de los neutralinos es un buen candidato a MO. Si se imponen sobre este todos los lmites experimentales de MO, encontramos que esto afecta directamente al sector de Higgs reduciendo el aumento de las desintegraciones inducidas por loops del Higgs, h ! y h ! Z , hasta un 20% como maximo. English2 Abstract Dark Matter (DM) is the 27% of the content of the Universe and make the 85% of the total matter. There is no possibility to explain this kind of invisible matter within the Standard Model (SM) of fundamental interactions so extensions of it are necessary. Furthermore the Large Hadron Collider (LHC) has started its second run after being upgraded up to a centre-ofmass energy of 13 TeV. Due to its great past run at a centre-of-mass energy of 8 TeV, where the Higgs boson was discovered and several limits to new models where imposed, we expect that new Physics could be found with the new con guration. This thesis is devoted to the study of collider phenomenology of four DM models. Two of them are embedded in the so-called DM portals, where a mediator particle is the responsible of the interactions between the hidden sector and the ordinary matter. The rst of these models is a scalar singlet extension of the SM where the latest constraints on the mass and the mixing of the new Higgs boson are studied. We also study the production of this scalar boson at the LHC analysing the decay channel into two SM Higgses with nal products H ! hh ! bbWW ! bb`+`􀀀. The second model of the DM portals is based on U(1) extensions of the SM, motivated by String Theory phenomenological models. Here, the massive Z0 that arises from the U(1) symmetries becomes the mediator between the DM sector and the visible matter. An important pattern of isospin-violating interactions is found between both sectors due to the nature of the couplings with the mediator. This has a strong impact on direct detection experiments of dark matter, since this kind of interactions couples di erently to neutrons and protons, in contrast to the majority of models in the literature where both couplings are equal. The other two models described in this Thesis are both supersymmetric extensions of the Minimal Supersymmetric Standard Model. The rst of these models is based on the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model with Right-Handed (RH) sneutrinos. In this construction the RH sneutrino is a good candidate for DM while the RH neutrino is long-lived since its decay width is proportional to the neutrino Yukawa coupling that is predicted to be small. The late decay of the RH neutrinos leads to very speci c signatures in the LHC that are displaced vertices. Another exotic signature of this construction is the production of a long-lived stau that could escape the detector leaving a characteristic trail. The second supersymmetric model is 3 the Triplet extension of the Minimal Supersymmetric Standard Model that enlarges the electroweakino sector. As a consequence the loop induced decays of the Higgs h ! and h ! Z could enhance up to a 40{60% compared with the ones of the SM. Furthermore, those new states are also relevant for DM phenomenology. We found that the lightest neutralino is a good candidate for DM and ful ls all the experimental constraints. Those requirements strongly a ects the Higgs sector reducing the loop-induced decays, h ! and h ! Z , to a 20% at most.