Heavy Quark-Pair Production in Electron Positron Collisions at Next-to-Next-to-Leading Order QCD

Chen, Long; Bernreuther, Werner; Czakon, Michal Wiktor

doi:36478

Heavy Quark-Pair Production in Electron Positron Collisions at Next-to-Next-to-Leading Order QCD = Produktion schwerer Quark-Antiquark-Paare in Elektron-Positron-Kollisionen in der naechst-naechstfuehrenden Ordnung der QCD

Chen, Long

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Long Chen

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (iii, 148 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Bernreuther, Werner (Thesis advisor) ; Czakon, Michal Wiktor (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-07-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-06577
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/696044/files/696044.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/696044/files/696044.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
QCD (frei) ; bottom quarks (frei) ; forward-backward asymmetry (frei) ; higher order corrections (frei) ; infrared methods (frei) ; top quarks (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die präzise Berechnung von Observablen mit Bezug zur Physik schwerer Quarks ist von großer Bedeutung sowohl für Konsistenztests des Standardmodells als auch für Präzisions-Datenanalysen zur Suche nach neuer Physik. Die Berechnung differentieller Wirkungsquerschnitte und (exklusiver) Observablen in höheren Ordnungen der Störungstheorie in der \\ Quantenchromodynamik (QCD) erfordert insbesondere eine Methode zur Behandlung der sogenannten weichen und kollinearen Infrarot-Singularitäten, die durch die Abstrahlung masseloser Partonen verursacht werden. In dieser Dissertation wird im Rahmen der sog. Antennen-Subtraktions\-methode ein Formalismus entwickelt, der die Berechnung der Produktion eines massiven Quark-Antiquark Paares in Elektron-Positron Kollisionen in der nächst-nächstführenden Ordnung der QCD Störungstheorie erlaubt. Der Formalismus ermöglicht die Berechnung beliebiger infrarot-sicherer Observablen. Wir wenden unsere Formeln auf die Topquark Paarerzeugung $(\ttbar)$ im Kontinuum und auf die $b$-Quark Paarerzeugung $(\bbbar)$ auf der $Z$ Resonanz an. Wir berechnen die jeweiligen Wirkungsquerschnitte und eine Reihe differentieller Verteilungen. Insbesondere berechnen wir die jeweiligen Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrien $A_{\rm FB}^Q$ zur Ordnung $\as^2$. Dies sind wichtige Observablen für Präzisionstests der elektroschwachen Wechselwirkungen und für die Bestimmung der neutralen Strom-Kopplungen der $t$ und $b$ Quarks. Die Korrekturen der Ordung $\as^2$ erweisen sich als signifikant. Im Falle des Top-Quarks berechnen wir $A_{\rm FB}^t$ f\"ur verschiedene Schwerpunktsenergien oberhalb der $\ttbar$ Schwelle. Für die $\bbbar$ Erzeugung auf der $Z$ Resonanz berechnen wir $A_{\rm FB}^b$ sowohl bezüglich der $b$-Quarkachse als auch der orientierten thrust Achse. Unser neues Resultat, die vollständigen massiven $b$-Quark QCD Korrekturen bis zur Ordnung $\as^2$, vergr\"ossern etwas den Betrag des bisher bekannten Wertes der Korrekturen. Als Folge wird die seit langem bekannte $2.5\sigma$ Diskrepanz zwischen der aus den Daten bestimmten nackten $b$-Quark Asymmetrie und dem Wert resultierend aus einem globalen Fit auf $2.2\sigma$ reduziert.

Standard Model high-precision computations of observables relatedto heavy quark physics are very important, both for testing the consistency of Standard Model and for providing a precision tool for data analysis in the context of searches for new physics. The calculation of differential cross sections and (exclusive) observables at higher order perturbation theory in Quantum Chromodynamics (QCD) requires a method for handling the soft and collinear singular configurations that arise from the radiation of massless partons and appear in individual contributions.In this thesis, we present a set-up, within the antenna subtraction framework, for computing the production of a massive quark-antiquark pair in electron positron collisions at next-to-next-to-leading order in the coupling $\alpha_s$ of QCD at the differential level. Our set-up applies to the calculation of any infrared-safe observable.We apply this formalism to the production of top-quark pair $(\ttbar)$ production in the continuum and also to bottom-pair $(\bbbar)$ production at the Z resonance. We compute the respective production cross sections and several distributions. We determine, in particular, the forward-backward asymmetries $A_{\rm FB}^Q$of these heavy quarks at order $\alpha_s^2$, which are important observables for electroweak precision tests and for determining the neutral-current couplingsof these quarks. The order $\as^2$ corrections turn out to be significant.In the top quark case we compute $A_{\rm FB}^t$ for several center-of-mass energies above the $\ttbar$ production threshold. For $\bbbar$ production at the $Z$ peak, we compute $A_{\rm FB}^b$ both for the $b$-quark axis and the oriented thrust axis definition of the asymmetry. We find thatif one takes into account the complete massive order $\as^2$ corrections to the leading-order asymmetry, which is a new result, then the magnitude of the QCD correctionsincreases slightly compared to previously known results.This reduces the well-known tension between the experimentally determinedbare $b$-quark asymmetry and the value obtained by a global fit from $2.5\sigma$ to $2.2\sigma$.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(zusätzliche Dateien)