Precision phenomenology in higgs-strahlung with fully-differential cross sections at next-to-next-to-leading order

Simon, Lukas; Harlander, Robert V.; Czakon, Michal

doi:HT030619304

Precision phenomenology in higgs-strahlung with fully-differential cross sections at next-to-next-to-leading order

Simon, Lukas^RWTH*

2023 & 2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Lukas Simon

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-11-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-11269
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/974370/files/974370.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Higgs physics (frei) ; Higgs-Strahlung (frei) ; LHC (frei) ; particle physics (frei) ; phenomenology (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In dieser Arbeit präsentieren wir den Monte Carlo Event Generator $\mathtt{history}$, welcher auf die Berechnung vollständig differenzieller Wirkungsquerschnitte von Farb-Singulett-Zuständen bis zur nächst-nächst-führenden Ordnung in der Störungstheorie der Quantenchromodynamik ausgelegt ist. Diese Präzision wird erreicht durch die Anwendung des Nested Soft-Collinear Subrtraktionsschemas, eine lokale Methode zur Subtraktion infraroter Divergenzen, welche während der Phasenraumintegration auftreten. Wir resümieren die grundlegenden Konzepte dieses Schemas und präsentieren die für eine Implementierung essenziellen Komponenten. Dies umfasst insbesondere die expliziten Ausdrücke aller Subtraktionsfunktionen, die für die Produktion eines farblosen Endzustandes, der auf führender Ordnung durch die Kollision eines Quark-Antiquark Paares ausgelöst wird, benötigt werden. Des Weiteren erläutern wir die Phasenraumparametrisierung, welche ursprünglich zur Konstruktion von $\mathtt{STRIPPER}$ entworfen wurde. Schließlich erhalten wir ein flexibles Programm, welches eine schnelle und nummerisch stabile Berechnung von Korrekturen höherer Ordnung ermöglicht. Das Programm $\mathtt{history}$ besteht aus einer prozessunabhängigen Implementierung des Subtraktionsschemas, welche mit prozessspezifischen Streuamplituden kombiniert werden muss. Die hier vorgestellte Version ermöglicht eine phänomenologische Anwendung für die gemeinsame Produktion eines Higgs-Bosons mit einem schwachen Eichboson in hadronischen Kollisionen. Der Fokus liegt dabei auf dem Drell-Yan-artigen Produktionsmechanismus, $p p \to V^\ast \to V\!H$, wobei $V$ entweder ein $W$-Boson oder ein $Z$-Boson sein kann. Darüber hinaus ist aber auch der schleifeninduzierte Gluonfusionprozess, welcher nur zur $Z\!H$ Produktion beiträgt, auf der Ordnung $\alpha_s^2$ implementiert. Wirkungsquerschnitte können sowohl für das Standardmodell als auch für alternative Modelle berechnet werden. Teil des Programms sind das Zwei-Higgs-Dublett-Modell und das B-L Modell. Schlussendlich validieren wir die Implementierung durch einen Vergleich mit etablierten Standardmodellergebnissen und präsentieren neue differentielle Wirkungsquerschnitte unter Einbeziehung der Effekte Neuer Physik, um das Potenzial von $\mathtt{history}$ aufzuzeigen.

In this thesis, we present the novel Monte Carlo Event Generator $\mathtt{history}$ which is designed to predict fully-differential cross sections for color-singlet final states at next-to-next-to-leading order accuracy in perturbative quantum chromodynamics. This precision level is achieved through the application of the Nested Soft-Collinear Subtraction scheme, a fully local method to subtract infrared divergences that arise during phase-space integrations. We review the concepts behind this scheme and present the essential components which are crucial for a practical implementation. This includes a collection of the explicit expressions for all subtraction functions that are substantial for arbitrary color-singlet-production processes initiated by a quark-antiquark pair at leading order. Furthermore, we outline the adopted phase-space parametrization, that originally has been introduced in the $\mathtt{STRIPPER}$ framework. In conclusion, we obtain a flexible program that enables fast and numerically stable evaluations of higher-order corrections. The code of $\mathtt{history}$ contains a process-independent implementation of the subtraction scheme that has to be combined with process-specific matrix elements. The current version provides a phenomenological application to Higgs boson production in association with a weak gauge boson in hadron collisions. Thereby, the focus lies on the Drell-Yan-like production mechanism, $pp \to V^\ast \to V\!H$, where $V$ represents either a $W$ or a $Z$ boson, but also the loop-induced gluon-fusion process, which exclusively contributes to $Z\!H$ production, is included at $\mathcal{O}(\alpha_s^2)$. Cross-section predictions can be made within the Standard Model and in theories beyond the Standard Model. Particularly, the Two-Higgs-Doublet Model and the B-L Model are accessible. Finally, we validate the correctness of the software with cross-checks against established results within the Standard Model and illustrate first physical applications that are affected by New Physics scenarios to demonstrate the potential of $\mathtt{history}$ as a versatile tool for fully-differential cross-section computations with high precision.

OpenAccess:
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