Authors:	Baumeister, Robin David
Title:	Top Quark Mass, Parton Showers and UV Subtraction
Online publication date:	25-Sep-2020
Year of first publication:	2020
Language:	english
Abstract:	Increasing the accuracy of theoretical predictions is an ongoing task in today's high energy physics. In this thesis, we investigate two different aspects that are part of the theoretical modelling of collider events. In the first part of this thesis, we focus on the parton shower and particularly the role of the top quark mass in the parton shower simulation. Therefore, we analyze the depence of the peak position of the thrust distribution on the shower cutoff value. Thrust is an observable that is highly sensitive to the mass of the top quark. For our analysis, we use the dipole parton shower algorithm. We compare the outcome of our parton shower simulations to a relation of the dependence from analytic computations. These calculations are based on soft-colliner effective theory and the coherent branching formalism. We show that the result of the parton shower simulations and the analytic computation are in good agreement. The second part of the thesis is dedicated to fixed-order calculations concerning the field of scattering amplitudes. For processes with more than two particles in the final state, one is particularly interested in computational methods that are suited for automation. One promising approach is found in loop-tree duality combined with numerical loop integration. In the loop-tree duality method at next-to-next-to-leading order, one encounters two-loop diagrams that have a one-loop self-energy insertion on one of the internal lines of the outer loop. This leads to Feynman integrals with raised propagators, i.e. propagators with higher powers. For calculations in the loop-tree duality approach, one needs to calculate the residue for the case that a raised propagator goes on-shell. This calculation involves the calculation of derivatives and is, hence, process-dependent. We show that it is possible to construct ultraviolet counterterms at the integrand level that make the residues vanish in the on-shell scheme. This relocates the problem of raised propagators to a process-independent part of the calculation. Additionally, we provide suitable forms of these counterterms for scalar $\phi^3$-theory and QCD. Eine Aufgabe der modernen Hochenergiephysik ist, die Genauigkeit theoretischer Vorhersagen zu erhöhen. In dieser Dissertation untersuchen wir zwei unterschiedliche Aspekte der theoretischen Modellierung von Collider-Events. Im ersten Teil der Thesis konzentrieren wir uns auf den Partonshower, insbesondere auf die Rolle der Masse des Top-Quarks in Partonshower-Simulationen. Hierfür analysieren wir die Abhängigkeit der Lage des Maximums der Thrust-Verteilung vom Wert des Showercutoffs. Thrust ist eine Observable, die stark von der Masse des Top-Quarks abhängt. Für unsere Analyse verwenden wir den Dipole-Partonshower-Algorithmus. Wir vergleichen das Resultat unserer Partonshower-Simulationen mit einer analytisch hergeleiteten Formel für die Beziehung zwischen dem Wert des Thrust-Maximums und dem Showercutoff. Die analytische Betrachtung basiert auf der Soft-Collinear-Effective-Theory und dem Coherent-Branching-Formalismus. Wir zeigen, dass das Ergebnis unserer Partonshower-Simulationen mit den Vorhersagen der analytischen Herangehensweise übereinstimmt. Im zweiten Teil der Thesis widmen wir uns Fixed-Order-Berechnungen im Bereich der Streuamplituden. Für Prozesse mit mehr als zwei Teilchen im Endzustand ist man vorallem an Methoden interessiert, die sich automatisieren lassen. Einen vielversprechenden Ansatz bietet Loop-Tree-Duality kombiniert mit numerischer Loop-Integration. In der Loop-Tree-Duality-Methode in nächst-zu-nächstführender Ordnung begegnen einem Zwei-Loop-Diagramme, bei denen ein Ein-Loop-Selbstenergiediagramm auf einer internen Linie des äußeren Loops eingefügt ist. Dies führt zu Feynmanintegralen mit erhöhten Propagatoren, also Propagatoren mit höheren Exponenten. Für Berechnungen im Loop-Tree-Duality-Approach ist es notwendig, die Residuen für den Fall zu berechnen, dass ein erhöhter Propagator on-shell geht. Hierbei müssen Ableitungen berechnet werden. Außerdem ist die Berechnung vom betrachteten Prozess abhängig. Wir zeigen, dass es möglich ist, Ultraviolett-Counterterme auf der Ebene des Integranden zu konstruieren, die die Residuen im On-Shell-Schema verschwinden lassen. Diese Vorgehensweise verlagert das Problem der erhöhten Propagatoren in einen prozessunabhängigen Teil der Berechnung. Zusätzlich bieten wir explizite Darstellungen der Counterterme für die skalare $\phi^3$-Theorie und QCD.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics 530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-5123
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-6284d160-2351-41d9-a492-bdd37e7619689
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	CC BY-NC-ND
Information on rights of use:	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
Extent:	x, 137 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen