Precision calculations for Higgs physics in the standard model and beyond

Klappert, Jonas; Harlander, Robert V.; Krämer, Michael

doi:10.18154/RWTH-2020-05782

Precision calculations for Higgs physics in the standard model and beyond

Klappert, Jonas^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jonas Klappert M.Sc.

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (viii, 137 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Harlander, Robert V. (Thesis advisor)^RWTH* ; Krämer, Michael (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-05-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-05782
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/792010/files/792010.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Higgs mass (frei) ; MSSM (frei) ; interpolation (frei) ; multiloop calculation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Spätestens seit der Entdeckung des Higgs-Bosons am Large Hadron Collider des CERNs ist der Higgs-Sektor des Standardmodells der Teilchenphysik eines der zentralen Forschungsgebiete der Hochenergiephysik. Durch mögliche Abweichungen von Messungen und theoretischen Vorhersagen innerhalb dieses Sektors erhofft man sich, ein vollständigeres Verständnis der Quantenfeldtheorien zu erhalten, die verwendet werden, um die Natur zu beschreiben. Neben immer genauer werdenden Messungen sind daher auch Hochpräzisions-Rechnungen notwendig, um bei Vergleichen von Messung und Vorhersage auf etwaige Abweichungen sensitiv zu sein. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf präzisen Vorhersagen von Observablen innerhalb des Higgs-Sektors. Zum einen werden Studien der Higgsmassen-Berechnung innerhalb der minimalen supersymmetrischen Erweiterung des Standardmodells vorgestellt, die partielle Dreischleifenergebnisse beinhalten. Dafür werden verschiedene Berechnungsmethoden vorgestellt, welche in Kombination eine genaue Vorhersage der Masse des leichten CP-geraden Higgs für beliebige Parameterkonfigurationen erlauben. Durch die Verwendung der in dieser Arbeit entwickelten Ergebnisse kann die relative Unsicherheit in der Vorhersage der Masse des leichten CP-geraden Higgs auf unter 1% reduziert werden. Da zusätzlich alle zugehörigen Ergebnisse in ein öffentlich zugängliches Programm implementiert sind, können die Resultate dieser Arbeit in weiteren Studien genutzt werden. Darüber hinaus wird die Higgs-Produktion in Kombination mit einem Vektor-Boson am Large Hadron Collider des CERNs untersucht. Durch die Ausnutzung einer Symmetrie der involvierten Vektor-Bosonen kann eine besondere Observable definiert werden, durch die sich ein Großteil der Unsicherheiten in sowohl Experiment als auch Vorhersage vermeiden lässt. Zur Veranschaulichung wird eine Analyse durchgeführt, die zum einen die erhöhte Sensitivität auf potentielle Abweichungen zwischen Theorie und Experiment zeigt, und zum anderen Evidenz für die Produktion eines Higgs-Bosons in Kombination mit einem Z-Boson durch Gluonfusion ermöglicht. Abschließend wird der aktuelle Fortschritt einer Zweischleifenrechnung für Higgs-Z-Produktion durch Gluonfusion vorgestellt, der eine volle Top-Quarkmassen-Abhängigkeit in den Schleifendiagrammen beinhaltet. Um die Quarkmassen-Effekte einzubeziehen, werden innovative Rechenmethoden entwickelt und in ein öffentlich zugängliches Programm implementiert, das breite Anwendung in der Berechnung von Mehrschleifendiagrammen finden kann.

At least since the discovery of the Higgs boson at the Large Hadron Collider at CERN, the Higgs sector of the Standard Model of particle physics has become one of the central research areas of high energy physics. Deviations between measurement and theoretical prediction within this sector have the potential to become a window on the quantum field theories describing nature. Besides the increasing precision of measurements, high-precision predictions are required to become sensitive on possible deviations. The focus of this work is on precise predictions of observables within the Higgs sector. On the one hand, studies of Higgs mass calculations within the context of the minimal supersymmetric extension of the Standard Model are presented, which include partial three-loop contributions. Different kinds of calculational methods are introduced, which, when combined, yield a reliable prediction of the light CP-even Higgs mass for in principle arbitrary parameter configurations. Utilizing the results of this work, the relative uncertainty of the predicted mass of the light CP-even Higgs can be reduced below the 1% level. Additionally, all corresponding results are implemented in an open-source program, which allows for further studies. Moreover, Higgs production in association with a vector boson at the Large Hadron Collider at CERN is studied. By exploiting a symmetry connecting the final state gauge bosons, a particular observable can be defined, that leads to the cancellation of various sources of uncertainty in both measurement and prediction. For illustration, an experimental analysis for this observable is performed, which demonstrates an increased sensitivity to possible deviations between measurement and prediction, and, in addition, yields to evidence for the production of a Higgs boson associated with a Z boson through gluon fusion. Finally, the recent progress in the calculation of two-loop corrections to Higgs-Z production via gluon fusion including the full top-quark mass dependence are presented. To include these quark-mass effects, novel algebraic methods are developed and provided with an implementation into an open-source program, that can find wide application in the calculation of multi-loop Feynman diagrams.

OpenAccess:
PDF
(additional files)