A general subtraction scheme for next to next to leading order computations in perturbative quantum chromodynamics

Heymes, David; Czakon, Michal; Bernreuther, Werner

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-053042

A general subtraction scheme for next to next to leading order computations in perturbative quantum chromodynamics = Ein allgemeines Subtraktionsschema zur störungstheoretischen Berechnung von Quantenkorrekturen zur zweiten Ordnung in der Quantenchromodynamik = A general subtraction scheme for next-to-next-to-leading order computations in perturbative quantum chromodynamics

Heymes, David

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von David Heymes

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangIII, 156 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Czakon, Michal (Thesis advisor) ; Bernreuther, Werner (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-09-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-053042
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/538435/files/538435.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/538435/files/538435.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; perturbative quantum chromodynamics (frei) ; QCD (frei) ; particle phenomenology (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die verlässliche Interpretation von Messergebnissen am Large HadronCollider (LHC) is nur möglich, wenn genaue Vorhersagen im Rahmen des Standardmodels der Teilchenphysik existieren. Ein wichtiges theoretisches Werkzeug für diese Vorhersagen ist die störungstheoretische Behandlung der Quantenchromodynamik (QCD). Dieses erlaubt präzise Abschätzungen von Wechselwirkungsquerschnitten von stark wechselwirkenden Teilchen. Die Koeffizienten der störungstheoretischen Reihe nach der führenden Ordnung besitzen infrarote Singularitäten in verschiedenen Beiträgen. Zwei Ursachen dieser Singularitäten können unterschieden werden. Entweder gehen masselose, virtuelle Teilchen in Schleifenbeiträgen auf ihre Massenschale oder zusätzliche, masselose Teilchen im Endzustand werden weich oder kollinear zu weiteren masselosen Teilchen. In der Summe der einzelnen Beiträge heben sich die Singularitäten auf, wenn in der Rechnung ein entsprechendes Regulierungsschema verwendet wird. Für die erste Ordnung der störungstheoretischen Reihe existieren allgemeine Subtraktionsschemata, die es erlauben den physikalischen Wechselwirkungsquerschnitt zu berechnen. Singularitäten, die dimensional reguliert werden, heben sich vor der Phasenraumintegration analytisch auf. Die Integration kann schließlich mit Monte Carlo Methoden ausgeführt werden. In der zweiten Ordnung der störungstheoretischen Reihe ist die Struktur der infraroten Singularitäten weitaus komplizierter. Verschiedene Schemata wurden vorgeschlagen, um physikalische Vorhersagen zu dieser Ordnung für einzelne Prozesse zu machen. In der vorliegenden Dissertation wird die allgemeine Formulierung des Subtraktionsschemas STRIPPER (SecToR Improved Phase sPacE forReal radiation) im Detail behandelt. Dieses Schema basiert auf einer numerischen Aufhebug der infraroten Divergenzen. Im Rahmen von \textsc{Stripper} ist eine prozessunabhängige Berechnung der zweiten Ordnung möglich. Im Weiteren wird die Implementierung des Schemas diskutiert, die es erlaubt Prozesse am LHC zu der gegebenen Ordnung zu simulieren. Der Leitgedanke hinter der Implementierung ist, die prozessunabhängige Subtraktion von der Berechnung der prozessabhängigen Matrixelemente zu trennen. Baumniveau Matrixelemente sind in der Software implementiert. Ein- und Zweischleifen-Matrixelemente können einfach hinzugefügt werden. Erste Tests der Implementierung werden diskutiert.

Accurate and robust theoretical predictions are essential in order to perform a reliable interpretation of measurements at the Large Hadron Collider with respect to the Standard Model of Particle Physics. A major theoretical tool to provide precise predictions for scattering cross sections of strongly interacting particles is perturbative Quantum Chromodynamics (QCD). Starting at next-to-leading order in the perturbative series the calculation suffers from infrared singularities in different parts of the calculation.There are two origins of these singularities. Either massless virtual particles in loop contributions go on-shell or additional masslessparticles in the final state become soft or collinear. Using an appropriate regularization method singularities cancel in the sum of different contributions. At next-to-leading order subtraction methods are established, that allow to calculate the physical cross section in dimensional regularization using Monte Carlo methods. Singularities cancel analytically before the integration is performed. At next-to-next-to-leading order in the perturbative series the infrared singular structure is more involved and different schemes have been proposed to provide physical predictions for individual processes. In this thesis, the general formulation of the sector improved residue subtraction scheme is presented, a framework to compute next-to-next-to-leading order corrections in perturbative QCD. This approach, named STRIPPER (SecToR Improved Phase sPacE for Real radiation), relies on the numerical cancellation of regularized infrared singularities and provide a process independent framework to calculate physical cross sections. In a second step, the explicit implementation of the subtraction scheme in a Monte Carlo event generator is outlined. The main idea of the implementation is to separate the process independent subtraction scheme from the process dependent evaluation of matrix elements. While tree-level matrix elements are already available, one-and two-loop matrix elements can be included easily. Finally, first partial tests of the software for top-pair productionin hadron collisions are presented.

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