Physik Elektroschwacher Eichbosonen an Hadron-Beschleunigern: Präzisionsrechnungen und Monte-Carlo-Vorhersagen
Final Report Abstract
Bereits in der ersten Phase der Datennahme am CERN Large Hadron Collider (LHC), die im Jahr 2012 in der Entdeckung eines Higgs-Bosons gipfelte, wurden viele Teilchenreaktionen in neuen kinematischen Regionen untersucht bzw. mit hoher Präzision untersucht. Die Produktion von W/Z-Bosonen spielt am LHC eine prominente Rolle, da sich die Zerfallsleptonen der W/Z-Bosonen gut identifizieren lassen. Das Forschungsprojekt hatte zum Ziel, die Genauigkeit in der Beschreibung dieser Prozesse zu erhöhen, um das Physikpotential des LHC optimal auszuschöpfen. Da der LHC bislang keine signifikanten Abweichungen von den Vorhersagen des Standardmodells identifizieren konnte, sind Signale neuer Teilchen bzw. Strukturen in subtilen und kleinen Abweichungen von Standardmodellvorhersagen zu suchen, so dass hohe Präzision in Vorhersagen immer wichtiger wird. Im Detail gliederte sich das Forschungsvorhaben in folgende Teilprojekte: a) Vorhersagen zur Drell-Yan-artigen Produktion von W- und Z-Bosonen: Die Vermessung der Erzeugung einzelner W- und Z-Bosonen gehört zu den wichtigsten Analysen bei ATLAS und CMS, nicht nur Detektorkalibrierung und zur Bestimmung der Partonverteilungen, sondern auch zur präzisen Messung wichtiger Standardmodellparameter wie der W-Bosonmasse und des Elektroschwachen Mischungswinkels. Das Hauptziel des Teilprojektes bestand in der erstmaligen Berechnung der Quantenkorrekturen der Ordnung Ό(αs α), die Einflüsse der Stärken und Elektroschwachen Wechselwirkung vermischen und z.B. die größte Quelle von theoretischen Unsicherheiten in der Bestimmung der W-Bosonmasse darstellen. b) Vorhersagen zur Paarproduktion Elektroschwacher Eichbosonen am LHC: Paarerzeugungsprozesse von W- und Z-Bosonen bei hohen Energien wie der des LHC sind ideal zur Vermessung der nicht-Abelschen Selbstwechselwirkungen der Eichbosonen, die die Symmetriestruktur der zugrundeliegenden Wechselwirkung direkt widerspiegeln und ein Fenster zu Neuer Physik darstellen. Ferner liefern diese Prozesse starken Untergrund in der Suche nach neuen Teilchen. In diesem Projekt wurden erstmalig die Quantenkorrekturen zur W-Paarerzeugung unter Einbeziehung der Zerfallsprozesse der W-Bosonen berechnet, zunachst in Form einer Entwicklung um die W-Resonanzen, später ohne Einschrankung an die Virtualität der W-Bosonen. Die Ergebnisse sind somit Teil der genauesten Vorhersage zu diesen Prozessen. c) Weiterentwicklung von Monte-Carlo-Generatoren fur LHC-Physik: Vorhersagen, die auf festen Ordnungen der störungstheoretischen Auswertung der Quantenfeldtheorie basieren, sind zur erfolgreichen Datenanalyse am LHC nicht ausreichend, da die Erzeugung schwerer Teilchen stets durch niederenergetische hadronische Aktivität begleitet wird, die sich nicht durch Störungstheorie beschreiben lässt. Eine Event-Simulation erfordert die Verbindung störungstheoretischer Elemente mit der Modellierung der Formierung von Hadronen bis hin zur Detektorsimulation - eine Aufgabe, die von Eventgeneratoren bewerkstelligt wird. In diesem Teilprojekt wurden Methoden entwickelt, die eine konsistente Verbindung von störungstheoretischen Korrekturen erster Ordnung mit Effekten des hadronischen Aufschauerns gestatten. Die Methoden wurden erfolgreich auf W-Boson-Erzeugungsprozesse mit Jets angewandt, und die Resultate anschließend mit LHC-Daten konfrontiert. d) Weiterentwicklung von Techniken zur Berechnung von Elektroschwachen Quantenkorrekturen: Quantenkorrekturen durch Abstrahlung niederenergetischer Teilchen führen auf Infrarot-Divergenzen, deren Behandlung in der Praxis spezielle Techniken erfordert. In diesem Teilprojekt haben wir den ,, Dipolsubtraktionsformalismus“ sowie das „One-Cutoff-Slicing“ für Korrekturen erster Ordnung" erweitert, so dass diese Techniken nun für Zerfalls- und Erzeugungsprozesse mit allgemeinen Konstellationen von Teilchenmassen zur Verfügung stehen. Als Demonstrationsbeispiel wählten wir die erstmalige Berechnung von Elektroschwachen Korrekturen zum Top-Quark-Zerfall, in dem die Zerfallseffekte des intermediaren W-Bosons einbezogen sind.
Publications
- “Electroweak corrections to dilepton + jet production at hadron colliders,” JHEP 1106 (2011) 069
A. Denner, S. Dittmaier, T. Kasprzik and A. Mück
- “A critical appraisal of NLO+PS matching methods,” JHEP 1209 (2012) 049
S. Höche, F. Krauss, M. Schönherr and F. Siegert
- “Electroweak corrections to monojet production at the LHC,” Eur. Phys. J. C 73 (2013) 2, 2297
A. Denner, S. Dittmaier, T. Kasprzik and A. Mück
- “Next-to-leading order electroweak corrections to pp → W+W- → 4 leptons at the LHC in double-pole approximation,” JHEP 1312 (2013) 043
M. Billoni, S. Dittmaier, B. Jäger and C. Speckner
(See online at https://doi.org/10.1007/JHEP12(2013)043) - “W+n-jet predictions at the Large Hadron Collider at next-to-leading order matched with a parton shower,” Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 052001
S. Höche, F. Krauss, M. Schönherr and F. Siegert
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.052001) - “Mixed QCD-electroweak O(αs α) corrections to Drell-Yan processes in the resonance region: pole approximation and non-factorizable corrections,” Nucl. Phys. B 885 (2014) 318
S. Dittmaier, A. Huss and C. Schwinn
(See online at https://doi.org/10.1016/j.nuclphysb.2014.05.027) - “Precise Higgsbackground predictions: merging NLO QCD and squared quark-loop corrections to four-lepton + 0,1 jet production,” JHEP 1401 (2014) 046
F. Cascioli, S. Höche, F. Krauss, P. Maierhöfer, S. Pozzorini and F. Siegert
(See online at https://doi.org/10.1007/JHEP01(2014)046) - “NLO QCD and electroweak corrections to W + γ production with leptonic W-boson decays,” JHEP
A. Denner, S. Dittmaier, M. Hecht and C. Pasold
