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Heavy quark mass determinations with sum rules and jets
Bahman Dehnadi
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)
Betreuer*in
André H. Hoang
DOI
10.25365/thesis.42936
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-20200.10163.535460-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Diese Dissertation befasst sich mit Massenbestimmungen des Charm,
Bottom und Top Quarks. Im ersten Teil werden neue Untersuchungen
beschrieben, welche relativistische QCD \emph{sum rules} zur Ordnung
$\mathcal{O}(\alpha_s^3)$ verwenden um die $\overline{\rm{MS}}$ Charm
und Bottom Quark Masse zu bestimmen. Für die Bestimmung der Charm
Quark Masse werden Momente des Vektor- und Pseudoskalar \emph{current
correlators} verwendet, wobei f\"ur ersteren experimentelle Messdaten
von $e^+e^-$ Kollisionen und f\"ur letzteren Ergebnisse von
\emph{lattice} Simulationen verwendet werden. F\"ur die Bestimmung der
Bottom Quark Masse verwenden wir den Vektor \emph{current correlator}
f\"ur welchen wir die experimentell messbaren Momente berechnen. Diese
beinhalten eine zus\"atzliche Modellierungsunsicherheit um die
\emph{continuum region}, f\"ur welche keine experimentellen Daten
existieren, zu ber\"ucksichtigen. Unsere nachfolgenden Untersuchungen
der theoretischen Unsicherheiten basieren auf unabh\"angigen
Variationen der Renormierungsskala f\"ur die Masse und f\"ur die
Kopplungskonstante der starken Wechselwirkung. Ein zus\"atzlicher
Konvergenztest wird abschlie\ss{}end dazu verwendet St\"orungsreihen
mit einem deutlich unterdurchschnittlichen Konvegenzverhalten zu
verwerfen. Von der jeweiligen Vektor \emph{correlator} Untersuchung
erhalten wir als Endergebnis
$\overline{m}_c(\overline{m}_c)=1.288\pm0.020$~GeV und
$\overline{m}_b(\overline{m}_b)=4.176\pm0.023$~GeV.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wird eine vollst\"andige theoretische
Beschreibung der gesamten Thrust Verteilung f\"ur $e^+e^-$ Kollisionen
pr\"asentiert. Im Besonderen werden dabei Jets untersucht, welche von
geboosteten schweren Quarks stammen. Die erhaltenen Ergebnisse werden
danach in einer Reihe von Faktorisierungstheoremen in einem
\emph{variable flavor number scheme} (VFNS) pr\"asentiert, welche im
2-jet Limes g\"ultig sind. Um in diesem Limes die erw\"ahnte
Faktorisierung zu erreichen und damit sogenannte gro\ss{}e Logarithmen
bis zur Ordnung NNLL zu resummieren, verwenden wir \emph{Soft-Collinear
Effective Theory} (SCET) mit Massen Moden. Sobald die typische
invariante Masse der involvierten massiven Jets nahe an der Masse des
schweren Quarks liegt, \emph{matchen} wir auf eine geboostete Version
von \emph{Heavy Quark Effective Theory} (bHQET) um eine neue Klasse von
gro\ss{}en Logarithmen zu resummieren und zus\"atzlich Effekte der
endlichen Zerfallsbreite miteinzubeziehen. Da die $\overline{\rm{MS}}$
Masse in diesem Regime das \emph{power counting} von bHQET verletzen
w\"urde kann sie hier nicht verwendet werden. Deshalb wird hier eine
geeignetere \emph{short distance} Masse, die sogenannte MSR Masse,
verwendet. Zus\"atzlich wird das zuvor verwendete VFNS auch auf die
\emph{gap} Subtraktionen angewandt. Diese definieren ein Schema f\"ur
die \emph{power corrections} in welchem das f\"uhrende Renormalon der
\emph{soft function} nicht vorhanden ist. Abschlie\ss{}end wird die
perturbative Konvergenz der resultierenden Thrust Verteilung sowie die
Massensensitivit\"at der \emph{peak region} der Verteilung untersucht.
Die dadurch erhaltenen Hadron-level Resultate k\"onnen weiterf\"uhrend
dazu benutzt werden einen numerischen Zusammenhang zwischen dem Top
(Bottom) Massenparameter in \emph{parton-shower Monte Carlo generators}
und einer wohldefinierten \emph{short distance} Masse in QCD
herzustellen.
Abstract
(Englisch)
In this thesis I discuss the charm, bottom and top quark mass determinations.
In the first part, I present new determinations of the {$\overline{\rm MS}$} charm and bottom quark masses using relativistic QCD sum rules at ${\cal O}(\alpha_s^3)$\,.
For the charm quark mass extraction we use the moments of the vector and the pseudoscalar current correlators where
we take into account the available experimental measurements from $e^+\,e^-$ collisions and
lattice simulation results, respectively.
For the bottom quark mass determination we use the vector current correlator for which we compute the corresponding experimental moments including a modeling uncertainty associated to the continuum region where no data is available.
Our analysis of the theoretical uncertainties is based on
independent variations of the renormalization scales for the mass and the strong coupling. In addition we apply a convergence test to discard the perturbative series for which the convergence behavior is significantly worse than the average convergence rate.
As the final result we obtain $\overline m_c(\overline m_c) = \,1.288\,\pm 0.020\,$GeV and
$\overline m_b(\overline m_b) = \,4.176 \, \pm 0.023\,$GeV from
the vector correlator analyses.
In the second part, I present a complete theoretical description of the entire thrust distribution
for boosted heavy quark initiated jets in $e^{+} \, e^{-}$ colliders.
The results are given in terms of various factorization theorems in the dijet limit within a
variable flavor number scheme (VFNS) for final state jets. In this limit we use Soft-Collinear Effective Theory (SCET), including mass modes, in order to factorize the cross section and to sum large logarithms at $\rm N^2LL$ order.
When the invariant mass of the massive jet is close to the heavy quark mass we match onto a
boosted Heavy Quark Effective Theory (bHQET) to sum up a new class of large logarithms along with the treatment of finite
width effects.
In this regime one cannot use the $\rm \overline{MS}$ mass for the heavy quark, as it would break the power counting of bHQET. We solve this issue by switching to a more suitable short-distance scheme for the mass, which we call the MSR scheme. Finally we also apply a VFNS to the gap subtractions, used to define a scheme for the leading power correction in which the leading renormalon of the soft function is removed.
At the end, we show the perturbative convergence of the resulting thrust distributions for stable and unstable top and bottom quark production and discuss the sensitivity of the peak region of the distributions to the heavy quark masses.
Our hadron-level results can be used to find a numerical relation between the top (bottom) mass parameters in parton-shower Monte Carlo generators and the well defined short-distance schemes for quark masses in QCD.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
QCD Sum Rules Lattice QCD perturbation theory charm mass bottom mass top mass Thrust distribution Jets SCET bHQET Monte Carlo generators
Schlagwörter
(Deutsch)
QCD Sum Rules Lattice QCD perturbation theory charm mass bottom mass top mass Thrust distribution Jets SCET bHQET Monte Carlo generators
Autor*innen
Bahman Dehnadi
Haupttitel (Englisch)
Heavy quark mass determinations with sum rules and jets
Publikationsjahr
2016
Umfangsangabe
vi, 198 Seiten : Diagramme, Tabellen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Matthias Jamin ,
German Rodrigo
AC Nummer
AC13292462
Utheses ID
38010
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |