Authors:	Schnubel, Marvin
Advisor:	Neubert, Matthias
Title:	Two applications of effective field theory: factorisation of gg→h in SCET & flavour physics of ALPs
Online publication date:	28-Sep-2023
Year of first publication:	2023
Language:	english
Abstract:	The Standard Model of Particle Physics has been confirmed by numerous measurements verifying its predictions. However, there are multiple direct and indirect hints pointing towards physics beyond the Standard Model. Two possibilities where new physics could show up are deviations of theory prediction and experiment in high-precision observables or direct detection of new particles, for instance at colliders or in particle transitions forbidden in the Standard Model. In this thesis, we approach both possibilities in two separate projects that are linked in their use of methodology rooted in the framework of effective field theories. In the first project we study gluon-gluon to Higgs boson fusion via a light quark loop in the context of soft-collinear effective theory (SCET) at next-to-leading order in SCET power counting. Generalising the refactorisation-based subtraction scheme to regulate endpoint divergences to non-abelian final states, we are able to derive a factorisation theorem consisting of convolutions of hard Wilson coefficients and jet and soft functions that is endpoint divergence-free and UV finite. We demonstrate that even though regularisation and renormalisation do not commute in general, all mismatching terms can be absorbed into a redefinition of Wilson coefficients. After deriving the renormalisation group (RG) equations, we solve them iteratively to predict the leading large logarithmic corrections in the three-loop gg → h form factor. Eventually, we solve the RG equations for the leading contribution jet and soft function to RG-improved leading order. This allows us to resum the three leading towers of large logarithms in the form factor to all orders of perturbation theory. In the second project we investigate how flavour physics experiments can constrain parameter space of axion-like particle (ALP) models. First, we present how couplings at the high-energy scale evolve to low energies. We show that independent of the specific UV coupling, couplings to all Standard Model particles are generated through a series of RG running and matching effects. This also includes effective flavour-changing couplings. Furthermore, we explain how to consistently implement ALPs in the weak chiral and nuclear Lagrangian, thereby freeing the formula for the branching ratio of the important K → πa decay from a long-standing inconsistency. We then explore the bounds on ALPs from quark and lepton flavour experiments in four benchmark scenarios, where we assume that only a certain coupling is present at the UV scale, and all other couplings are generated via evolution effects. Das Standardmodell der Teilchenphysik wurde bereits durch zahlreiche Messungen belegt, die die theoretischen Vorhersagen bestätigen. Es gibt jedoch etliche direkte sowie indirekte Hinweise auf Physik jenseits des Standardmodells. Zwei Möglichkeiten, wo solche neue Physik auftreten könnte, sind Abweichungen von Theorievorhersagen und experimentellen Messungen in Hochpräzisionsobservablen oder direkte Entdeckung neuer Teilchen, zum Beispiel an Beschleunigern oder durch Beobachtung von im Standardmodell verbotenen Teilchenübergängen. In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit beiden Möglichkeiten in zwei verschiedenen Projekten, die durch die Verwendung von Methoden der effektiven Feldtheorien verbunden sind. Im ersten Projekt untersuchen wir die Fusion zweier Gluonen zu einem Higgs-Boson über eine Schleife aus leichten Quarks im Kontext der soft-kollinearen effektiven Theorie (SCET), ein Prozess in nachführender Ordnung im SCET Powercounting. Durch das Verallgemeinern des refaktorisierungsbasierten Subtraktionsschema zur Regularisierung von Endpunktdivergenzen auf nicht-abelsche externe Felder sind wir in der Lage, ein Faktorisierungstheorem bestehend aus Konvolutionen von Wilson-Koeffizienten und Jet- und soften Funktionen herzuleiten, das sowohl endpunktdivergenzfrei als auch UV-endlich ist. Wir zeigen, dass obwohl Regularisierung und Renormierung im Allgemeinen nicht vertauschbar sind, alle nicht übereinstimmenden Terme durch eine Redefinition der Wilson-Koeffizienten absorbiert werden können. Nachdem wir die Renormierungsgruppengleichungen (RGE) hergeleitet haben, lösen wir sie iterativ, um die größten logarithmischen Korrekturen zum drei-Schleifen Formfaktor vorherzusagen. Wir lösen die RGE der führenden Jet- und soften Funktion in führender Ordnung, was uns erlaubt die drei führenden Terme logarithmischer Korrekturen im Formfaktor für alle Ordnungen der Störungstheorie aufzusummieren. Im zweiten Projekt untersuchen wir, wie Flavourphysikexperimente den theoretisch erlaubten Parameterbereich von Axion-artigen Teilchen (ALPs) einschränken können. Wir zeigen zunächst, wie sich Kopplungen von einer hohen zu einer niedrigen Energieskala durch RGE-Effekte entwickeln und dass, unabhängig von der UV-Kopplung, Kopplungen an sämtliche Standardmodellteilchen an der Niederenergieskala generiert werden. Dies beinhaltet auch Flavour-verletzende Kopplungen. Außerdem können wir zeigen, wie ALPs konsistent in die schwach-chirale und nukleare Theorie eingebunden werden können. Dabei lösen wir eine seit langem bestehende Inkonsistenz in der Berechnung der wichtigen K → πa Amplitude auf. Unsere Ergebnisse werden in vier Referenzszenarien, bei denen wir jeweils angenommen haben, dass nur eine Kopplung an der UV-Skala existiert und alle anderen durch Evolutionseffekte generiert werden, vorgestellt.
DDC:	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-9558
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-4506b5f1-bdb9-4fa8-93d6-7859accd01de3
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	CC BY-ND
Information on rights of use:	https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/
Extent:	xvii, 179 Seiten ; Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen