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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-69380
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/6938/


Kasprzik, Tobias

Radiative corrections to W+jet production at hadron colliders with a leptonic decay of the W boson

Strahlungskorrekturen zur W+Jet-Produktion an Hadron Collidern mit Leptonischem Zerfall des W-Bosons

Dokument1.pdf (1.842 KB) (md5sum: 800c1b571237fdf25c9ea0135f2b81a2)

Kurzfassung in Deutsch

Die Produktion von W-Bosonen und zusätzlichen QCD-Jets am LHC ist von großem phänomenologischen Interesse. Da diese Prozesse sehr große Wirkungsquerschnitte besitzen, können sie, auch wegen der klaren leptonischen Zerfalls-Signatur des W-Bosons, beispielsweise für eine präzise Bestimmung der W-Masse oder zur Kalibrierung der Kollider-Luminosität verwendet werden.
Ein profundes theoretisches Verständnis dieser Prozessklasse ist daher erstrebenswert.

Um die Präzision der theoretischen Vorhersagen voranzutreiben, werden in dieser Arbeit die elektroschwachen Strahlungskorrekturen in nächstführender Ordnung der Kopplungskonstanten "alpha" im Rahmen des Standard-Modells zur W+Jet-Produktion am LHC und am Tevatron berechnet und die resultierenden Effekte diskutiert. Da die Korrekturen zunächst in einem perturbativen Zugang auf Parton-Niveau ausgewertet werden, arbeiten wir im Parton-Modell, in dem die perturbativen Anteile mit den nicht-perturbativen Parton-Verteilungsfunktionen gefaltet werden, um realistische hadronische
Wirkungsquerschnitte zu erhalten.

Die Rechnung wird sowohl für ein stabiles W-Boson auf seiner Massen-Schale durchgeführt, als auch für ein intermediäres, leptonisch zerfallendes W-Boson. Neben virtuellen Schleifen-Korrekturen müssen hierbei auch reelle Bremsstrahlungs-Korrekturen, verursacht durch die Abstrahlung eines zusätzlichen Photons, berücksichtigt werden, wobei in beiden Anteilen sogenannte Massen-Singularitäten auftreten, die in der numerischen Auswertung sorgfältig behandelt werden müssen.
Für die Rechnung mit stabilem W-Boson verwenden wir die Methode des Phase-Space-Slicings, um diese Singularitäten von der numerischen Phasenraum-Integration auszuschliessen und sie in den problematischen Bereichen des Phasenraumes analytisch auszuwerten. In der Rechnung mit instabilem W-Boson hingegen werden die singulären Strukturen mittels der Methode der Dipol-Subtraktion auf dem Niveau des Bremsstrahlungs-Integranden subtrahiert, um eine stabile numerische Auswertung zu garantieren. Um eine konsistente Berechnung auch von nicht-kollinear-sicheren Observablen zu ermöglichen, haben wir diese Subtraktions-Methode im Rahmen der vorliegenden Arbeit entsprechend erweitert.

Neben dem Auftreten von Massen-Singularitäten beinhaltet die Berechnung der Strahlungskorrekturen zu Prozessen mit instabilem W-Boson die Schwierigkeit, dass eine endliche Zerfallsbreite in die Rechnung eingeführt werden muss. Geschieht dies in unüberlegter Weise, kann schon in führender Ordnung die Eichinvarianz der Amplitude verletzt sein. Wir arbeiten daher im Complex-Mass-Scheme, das eine konsistente und eichinvariante Behandlung der endlichen Lebensdauer des W-Bosons garantiert und in allen Regionen des Phasenraumes angewendet werden kann.

Unsere Resultate sind in einem flexiblen Monte-Carlo Programm implementiert, das es ermöglicht - neben totalen Wirkungsquerschnitten - alle physikalisch motivierten differentiellen Wirkungsquerschnitte in Form von Histogrammen zu generieren. Es kann daher zukünftig als Analyse-Tool für LHC-Daten verwendet werden, zumal die numerische Auswertung - neben großen negativen elektroschwachen Korrekturen bei hohen Transversal-Impulsen - wichtige Korrekturen zur Verteilung der transversalen Masse des Lepton-Paares in der Resonanz-Region ergibt, die für eine präzise Bestimmung der W-Masse berücksichtigt werden sollten.


Kurzfassung in Englisch

The production of W bosons and additional jets at hadron colliders is a topic of great phenomenological interest, because such processes have large cross sections and, owing to the clear decay signature of the W boson, can for instance be used to monitor and calibrate the collider's luminosity, as well as for a precise determination of the W-boson mass and width. Thus, a profound theoretical understanding of this process class is mandatory.

In order to improve the accuracy of the theoretical predictions, this thesis is devoted to the calculation of the electroweak radiative corrections to the production of one W boson with one associated jet at the LHC and the Tevatron within the Standard Model. Since these corrections are at first evaluated on the parton level in a perturbative approach, we work in the parton model, where the hadronic cross section is obtained by folding the partonic contributions with the parton distribution functions that contain the non-perturbative information of the proton structure and have to be determined by experiment.

We provide results for a stable W boson that is produced on its mass shell as well as for an intermediate (off-shell) W boson decaying into a charged lepton and a neutrino. For a consistent calculation of the next-to-leading order
corrections, we have to take into account the virtual one-loop contributions, as well as the real bremsstrahlung corrections caused by radiation of one additional photon. Within both contributions, mass singularities appear that have to be treated with care within the numerical evaluation. In the calculation with a stable W boson in the final state, we use the method of phase-space slicing in order to exclude such singularities from the numerical phase-space integration and calculate them analytically in the problematic phase-space regions. For the off-shell calculation, however, we use the more
sophisticated dipole subtraction technique to subtract the infrared-singular structures on the integrand level to allow for a stable numerical evaluation.
Within this thesis, we extend this method to also enable the consistent treatment of non-collinear-safe observables related to photon radiation off
muons.

Additionally, the calculation of radiative corrections to processes involving an unstable W boson leads to the problem that a finite particle width has to be consistently introduced in the calculation. If this is done carelessly, gauge invariance might be destroyed even at the leading order of the perturbative series. Thus, we work in the complex-mass scheme to account for a proper inclusion of a finite W-boson width in our calculation. This particular scheme respects gauge invariance and can be applied in all phase-space regions.

Our results are implemented into a flexible Monte Carlo code that allows for the calculation of total cross sections and differential distributions, where in principle any event-selection criteria that might be of physical interest can be applied. In the numerical analysis we observe large negative electroweak corrections at large transverse momenta that can be attributed to universal Sudakov logarithms. Moreover, relevant deviations in the shape of the transverse-mass distribution of the final-state lepton pair near the resonance are induced that are important with regard to a precise determination of the W-boson mass. Thus, our code can provide crucial information as a tool for the analysis of LHC data.


SWD-Schlagwörter: LHC
Freie Schlagwörter (englisch): LHC, Standard Model , precision calculations , phenomenology , gauge-boson production
Institut: Dekanat Fakultät für Mathematik und Physik
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Dittmaier, Stefan (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 15.10.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 29.10.2009
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