Precise modeling of prompt photons in associated top-quark pair production

Stremmer, Daniel; Harlander, Robert V.; Worek, Malgorzata

doi:10.18154/RWTH-2024-08188

Precise modeling of prompt photons in associated top-quark pair production

Stremmer, Daniel^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Daniel Stremmer, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-07-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-08188
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/992450/files/992450.pdf

Einrichtungen

Projekte

DFG project G:(GEPRIS)396021762 - TRR 257: Phänomenologische Elementarteilchenphysik nach der Higgs-Entdeckung (396021762) (396021762)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
LHC (frei) ; particle physics (frei) ; phenomenology (frei) ; top quark (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte zur präzisen Modellierung der Photonenstrahlung in assoziierten Top-Quark-Paarprozessen mit Hilfe des HELAC-NLO-Programms behandelt, das zur Bewältigung dieser Probleme erweitert wurde. Der erste Punkt ist die Berechnung der ersten Korrekturen in der Quantenchromodynamik (NLO QCD) im $pp\to t\bar{t}\gamma\gamma$ Prozess am LHC für die beiden Zerfallskanälen, in denen entweder beide $W$-Bosonen in jeweils ein Lepton und ein Neutrino zerfallen (di-lepton) oder ein $W$-Boson in ein Quarkpaar zerfällt (lepton + jet). Im Gegensatz zu früheren Berechnungen berücksichtigen wir erstmals Photonenstrahlung und NLO-QCD-Korrekturen im Produktionsprozess und in den Zerfallsprozessen des Top-Quark-Paares. Die Zerfälle der instabilen Top-Quarks und $W$-Bosonen werden mit der narrow-width approximation (NWA) unter der Berücksichtigung von Spin-Korrelationen modelliert. Diese Berechnungen werden verwendet, um die Effekte der Photonenstrahlung in den Zerfällen zu quantifizieren, die sich bereits im $pp\to t\bar{t}\gamma$ Prozess als wichtig erwiesen haben. Außerdem gehen wir auf die Komplikationen im lepton + jet Zerfallskanal ein, die durch zusätzliche Strahlung von Quarks oder Gluonen in höheren Ordnungen der Störungstheorie verursacht werden und zu einer deutlichen Vergrößerung der NLO-QCD-Korrekturen führen können. Als nächstes fokussieren wir uns auf die Berechnung von zweitrangigen Korrekturen der führenden Ordnung (LO) und der nächsthöheren Ordnung (NLO) in der Störungstheorie im Fall von Top-Quark-Paarproduktion mit einem und zwei isolierten Photonen. Bisherige Berechnungen behandelten dies nur teilweise, indem sie diese Rechnungen nur für stabile Top-Quarks durchführten und nur einen Teil der zweitrangigen Korrekturen im $pp\to t\bar{t}\gamma\gamma$ Prozess berücksichtigten. Im Gegensatz dazu berechnen wir die kompletten LO- und NLO-Beiträge für beide Prozesse im di-lepton Zerfallskanal unter der Berücksichtigung von Korrekturen der Quantenchromodynamik und der elektroschwachen Wechselwirkung sowie der Photonenstrahlung im Produktionsprozess und in den Zerfallsprozessen. Zusätzlich führen wir eine Näherung ein, in der Photonenstrahlung in allen LO Beiträgen und den führenden NLO-QCD-Korrekturen enthalten ist, während Photonenstrahlung in Zerfallsprozessen in den zweitrangigen NLO Korrekturen vernachlässigt wird. Diese Näherung liefert eine präzise Alternative mit vernachlässigbaren Abweichungen gegenüber der kompletten Rechnung, führt jedoch zu signifikanten Vereinfachungen in der Berechnung und in der möglichen Kombinierung mit Partonschauern. Abschließend konzentrieren wir uns auf die Benutzung von verschiedenen Photonenisolationskriterien in theoretischen Vorhersagen. Insbesondere werden in experimentellen Messungen fast ausschließ das fixed-cone Isoliationskriterium benutzt, wobei eine bestimmte Menge an hadronischer Energie innerhalb eines Kegels um das isolierte Photon erlaubt ist. Dieses Isolationskriterium führt zu weiteren Komplikationen in theoretischen Berechnungen aufgrund von Fragmentierungsprozessen von Partonen zu Photonen. Daher wird in theoretischen Berechnungen oftmals das smooth-cone Isolationskriterium genutzt, bei dem keine Fragmentierungsprozesse erlaubt sind, das aber in experimentellen Messungen nicht direkt angewendet werden kann. Als ersten Schritt zum besseren Verständnis dieses Problems führen wir die Berechnung von NLO QCD Korrekturen in Top-Quark-Paarproduktion mit einem isolierten Photon mit dem fixed-cone Isolationskriterium durch und vergleichen diese Ergebnisse mit Berechnungen basierend auf alternativen Photonenisolationskriterien mit unterschiedlichen Parametern.

This thesis addresses several aspects of the precise modeling of prompt photons in associated $t\bar{t}$ production using the HELAC-NLO framework, which was extended in various ways to deal with these problems. The first point is the calculation of NLO QCD corrections to the $pp\to t\bar{t}\gamma\gamma$ process in the di-lepton and lepton + jet decay channels at the LHC, where in the first case both $W$ bosons decay into lepton-neutrino pairs and in the second case one $W$ boson decays into a quark pair. In contrast to previous calculations, we include for the first time photon radiation and NLO QCD corrections in the production and decays of the two top quarks. The narrow-width approximation (NWA) is used to model the decays of the unstable top quarks and $W$ bosons while preserving spin correlations. This calculation is used to quantify the effects of prompt photon radiation in the decays, which were already found to be important in the $pp\to t\bar{t}\gamma$ process. Additionally, we discuss the complications in the lepton + jet decay channel that arise at higher orders from additional QCD radiation and can lead to substantial enhancements of the NLO QCD corrections. Next, we focus on the size of subleading LO and NLO contributions in top-quark pair production with one and two isolated photons. Previous calculations only partially addressed this issue by performing the calculation only with stable top quarks and additionally considering only a subset of the subleading contributions in the case of $pp\to t\bar{t}\gamma\gamma$. In contrast, we calculate the complete NLO corrections to both processes, consisting of the NLO QCD calculation with all subleading LO and NLO contributions, and consistently include higher-order QCD and EW corrections as well as photon bremsstrahlung in all decay stages in the decay chain of the di-lepton decay channel. In addition, we introduce an approximation for the full calculation, in which photon radiation in the decays is included only in all LO contributions and in the dominant QCD corrections, while photon radiation in the decays is neglected in the subleading NLO contributions, which are therefore only calculated in the case where all photons are emitted in the production process. This approximation leads to precise results with negligible differences compared to the complete calculation and it significantly simplifies the overall calculation and a possible matching to parton showers. Finally, we concentrate on the dependence of the theoretical predictions on the different photon isolation criteria. In particular, the experimental measurements rely almost exclusively on the fixed-cone isolation, where a certain amount of hadronic energy is allowed inside a cone around the isolated photon. This photon isolation criterion leads to technical complications in theoretical predictions due to the non-vanishing parton-to-photon fragmentation contribution. Therefore, the smooth-cone photon isolation criterion is often used in such calculations, where the fragmentation contribution completely vanishes, but this photon isolation criterion cannot be directly used in experimental measurements. As a first step towards a better understanding of the different isolation criteria in prompt photon production with a top-quark pair, we perform the calculation of NLO QCD corrections using the fixed-cone isolation for the $pp\to e^+\nu_e\,\mu^-\bar{\nu}_{\mu}\,b\bar{b}\,\gamma$ process and perform a comparison with predictions using other isolation criteria and different input values.

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