Quark mass effects in form factors and hadronic Higgs production

Niggetiedt, Marco; Harlander, Robert V.; Czakon, Michal

doi:HT030618908

Quark mass effects in form factors and hadronic Higgs production

Niggetiedt, Marco^RWTH*

2023 & 2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marco Niggetiedt Master of Science

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-11-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-11198
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/974075/files/974075.pdf

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Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Higgs boson (frei) ; LHC (frei) ; QCD (frei) ; higher-order calculations (frei) ; particle phenomenology (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Bekanntgabe des experimentellen Nachweises des Higgs-Bosons im Jahr 2012 durch die zwei Kollaborationen ATLAS und CMS am LHC am CERN bezeichnet die Entdeckung des letzten fehlenden Elementarteilchens des Standardmodells und gleichzeitig die Fortsetzung einer Erfolgsgeschichte jenes Modells, das bisher den präzisesten Tests standgehalten hat und dessen Grenzen es auszureizen gilt. Dem Higgs-Boson kommt in dem Sinne im Standardmodell eine besondere Rolle zu, als dass es als einziges Teilchen mit allen massiven Teilchen wechselwirkt und stellt damit einen der vielversprechendsten Kandidaten dar, um das Standardmodell zu validieren und gleichermaßen dessen Limitierungen zu erforschen. In der vorliegenden Arbeit widmen wir uns der störungstheoretischen Berechnung des totalen Wirkungsquerschnitts für die Erzeugung eines Higgs-Bosons in Gluon-Gluon-Fusion an Proton-Proton-Beschleunigern. Dieser Prozess zeichnet sich durch seinen besonderen Produktionsmechanismus aus, der in führender Ordnung eine geschlossene Quark-Schleife als Mediator zwischen Gluonen und dem Higgs-Boson erfordert. Obwohl der totale Wirkungsquerschnitt für Gluon-Gluon-Fusion mit exakter Quark-Massenabhängigkeit zu nächstführender Ordnung in der Störungstheorie bekannt ist und eine Approximation für unendlich schwer angenommene Top-Quarks darüber hinaus sehr gut zu funktionieren scheint, ist eine exakte Rechnung unter Berücksichtigung der Quark-Masseneffekte erstrebenswert. Aufgrund fehlender Masseneffekte sind auf die theoretische Vorhersage des totalen Wirkungsquerschnitts ungefähr zwei Prozent relative Unsicherheit verhängt. Die Reduktion dieser Unsicherheit würde die Summe aller theoretischen Unsicherheiten um ungefähr ein Drittel reduzieren. Wir stellen die grundlegenden Konzepte und Methoden vor, die für die Berechnung des totalen Wirkungsquerschnitts für Gluon-Gluon-Fusion zu nächst-nächstführender Ordnung mit exakter Quark-Massenabhängigkeit unverzichtbar sind. Dabei fokussieren wir uns auf die für die Rechnung benötigten doppelt-virtuellen Drei-Schleifen-Korrekturen und die reell-virtuellen Zwei-Schleifen-Korrekturen. Um diese fortgeschrittene Rechnung bewältigen zu können, entwickeln wir neue und verbessern teils existierende Methoden, wobei wir uns maßgeblich auf semi-numerische Methoden zum effizienten Lösen auftretender Integrale stützen. Die Verwendung dieser Methoden erlaubt uns darüber hinaus die Bestimmung von drei Formfaktoren auf Drei-Schleifen-Niveau mit exakter Quark-Massenabhängigkeit. Diese Ergebnisse konstituieren wichtige Werkzeuge zur Untersuchung des Infrarotverhaltens von Streuamplituden und können genutzt werden, um universelle Konstanten zu extrahieren.

The announcement of the experimental evidence for the Higgs boson in 2012 by the two collaborations ATLAS and CMS at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN marks the discovery of the last missing elementary particle of the Standard Model and the continuation of the success story of the model that has so far withstood the most precise tests and whose boundaries must be pushed to the limit. The Higgs boson plays a special role in the Standard Model in the sense that it is the only particle that interacts with all massive particles and thus represents one of the most promising candidates to validate the Standard Model and to explore its limitations at the same time. In the present work we devote ourselves to the perturbative calculation of the total cross section for the production of a Higgs boson in gluon-gluon fusion at proton-proton colliders. This process is characterized by its special production mechanism, which requires a closed quark loop as a mediator between the gluons and the Higgs boson at the leading order. Although the total cross section for gluon-gluon fusion with exact quark mass dependence is known to next-to-leading order (NLO) in perturbation theory and an approximation for top quarks assumed to be infinitely heavy seems to work very well, an exact calculation retaining the full quark mass dependence is desirable. Due to the lack of knowledge of mass effects, two percent of relative uncertainty are imposed on the theoretical prediction of the total cross section. Removing this uncertainty would reduce the sum of all theoretical uncertainties by about a third. We present the most important concepts and methods indispensable for calculating the total cross section for gluon-gluon fusion to next-to-next-to-leading order (NNLO) with exact quark mass dependence. We focus on the double-virtual three-loop corrections required for the calculation and the real-virtual two-loop corrections. In order to be able to cope with the complexity of the calculation, we develop new and partly improve existing methods, whereby we mainly rely on semi-numerical methods for efficiently solving occurring integrals. Furthermore, using these methods allows us to determine three form factors at the three-loop level with exact quark mass dependence. These results constitute important tools to study the infrared behavior of scattering amplitudes and can be used to extract universal quantities.

OpenAccess:
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