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Jet shapes with massive quarks for e⁺e⁻-annihilation

Moritz Preißer

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 Hoang

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DOI

10.25365/thesis.56440

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-17275.16134.952374-2

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

In dieser Arbeit werden Masseneffekte von primären massiven Quarks, das sind massive Quarks die in der harten Wechselwirkung erzeugt wurden, im Rahmen von sogenannten Event-Shape-Verteilungen in Elektron-Positron Kollisionen untersucht. Nachdem die ursprünglichen Definitionen von den meis- ten dieser Observablen, beispielsweise Angularities, Thrust, Jet Massen oder C-Parameter, in Bezug auf massive Teilchen nicht einheitlich sind, werden Definitionen die in verschiedene Schemen bezüglich der Behandlung von Quarkmassen (P , E und M -Schema) fallen, untersucht. Für singuläre Konfig- urationen die einer reinen 2-Jet Situation sehr ähnlich sind, können Werkzeuge aus der effektiven Feldtheorie (EFT), im speziellen boosted Heavy Quark Effective Theory (bHQET) und Soft-Collinear Effective Theory (SCET), benutzt werden um ein Faktorisierungstheorem für die führenden Beiträge des Wirkungsquerschnitts herzuleiten. Die EFT Methode erlaubt es, den Wirkungsquerschnitt als Produkt von allgemeineren Bausteinen zu schreiben und durch das Benutzen von Renormierungs- gruppenmethoden sogenannte große Logarithmen zu resummieren, welche in solchen kinematischen Situationen auftreten. Bei der sogenannten “next-to-next-to-leading logarithm”-Genauigkeit (NNLL) gehen die erwähnten Masseneffekte nur über die Jetfunktion in das Faktorisierungstheorem ein, und es stellt sich heraus, dass verschiedene Event-Shape-Observablen Klassen bilden, für welche die Jet- funktion universell ist. Dies wird dann in weiterer Folge benutzt um die bisher nicht bekannte Jet- funktion mit primären massiven Quarks für alle untersuchten Event-Shape-Observablen im P - und E-Schema herzuleiten. Zusammen mit den anderen Bausteinen, die vom masselosen Fall übernommen werden können, lassen sich diese Ergebnisse zur Berechnung des singulären differentiellen Wirkungs- querschnitts mit stabilen primären massiven Quarks verwenden. Im Falle von instabilen schweren Quarks, d.h. für Top-Quarks, zeigen die meisten der untersuchten Event-Shape-Verteilungen eine sehr hohe Sensibilität bezüglich der exakten Kinematik der Zerfallsprodukte was zu einer, formell zwar unterdrückten aber nicht vernachlässigbar kleinen, Modifikationen des differenziellen Wirkungs- querschnitts führt. Im Zuge der Untersuchung der genauen Mechanismen hinter dieser Veränderung kann dann in weiterer Folge gezeigt werden, dass sich für die führenden Beiträge im instabilen Fall eine weitere Faktorisierung in die singulären Beiträge für den stabilen Fall und eine sogenannte Zerfalls-Funktion (“decay function”) ergibt. Diese Zerfalls-Funktion parametrisiert die Kinematik der Zerfallsprodukte für die jeweilige Event-Shape-Verteilung. Nachfolgend wird diese Faktorisierung dann anhand von Simulationen überprüft und auch gezeigt dass die resultierende Beschreibung für die untersuchten Fälle gut funktioniert. Abschließend wird dann das Resultat für den sogenannten M -scheme C-Parameter, welcher im Kontext von MC Top Quark Massenkalibrationen von Interesse ist, qualitativ mit pseudo-Daten von PYTHIA 8.2 verglichen. Dieser Vergleich zeigt dass die entwickelte Beschreibung zu einem mit vorherigen Untersuchungen konsistenten Resultat führt.

Abstract

(Englisch)

In this thesis mass effects of primary heavy quarks, i.e. heavy quarks that originate directly from the hard process, in global 2-jet event shape observables for e+e− annihilation are investigated. Since the original definition of such event-shapes like angularities, thrust, jet masses or C-parameter is not uniform with respect to the treatment of massive particles, definitions which correspond to different schemes regarding the treatment of heavy quark masses (P , E and M -scheme) are considered and their differences analyzed. For the singular dijet-like configuration it is possible to use effective field theory methods, in particular boosted Heavy Quark Effective Theory (bHQET) and Soft-Collinear Effective Theory (SCET), in order to show that the leading cross section contribution for the observables of interest can be factorized in more general building blocks and thereby systematically resum large logarithms present in this limit by utilizing renromalization group methods. At next-to-next-to- leading logarithmic accuracy (NNLL) the effects of heavy quark masses only enter via the so called jet function and it is shown that for the investigated observables different event shapes form classes for which the jet function is universal. Using this, the previously unknown primary massive jet function for the investigated P - and E-scheme event shapes is calculated. Together with the other cross section factors known from the massless case this allows to calculate the singular differential cross section for the discussed event shapes in the context of stable primary heavy quarks at NNLL. For the case of unstable heavy quarks, relevant for top quarks, most of the investigated event shapes are very sensitive to the exact kinematics of the heavy quark decay products which leads to a formally power suppressed but not negligibly small change in the differential cross section. Investigating the underlying mechanisms then leads to an additional factorization of the leading contribution to the differential cross section for unstable heavy quarks into the singular stable cross section and a so called decay function which parametrizes the exact decay kinematics in terms of the event shape of interest. In a next step this factorization is checked numerically using simulations which shows that the theoretical predictions coming from the decay function approach work very well for the investigated observables. Finally the full result for unstable M -scheme C-parameter, which is of interest in the context of MC top quark mass calibrations, is qualitatively compared to pseudo-data from PYTHIA 8.2 which shows that the developed setup leads to a consistent result for such calibrations.

Autor*innen

Moritz Preißer

Haupttitel (Englisch)

Jet shapes with massive quarks for e⁺e⁻-annihilation

Paralleltitel (Deutsch)

Jet Shapes für Massive Quarks in e+e--Annihilation

Publikationsjahr

2018

Umfangsangabe

viii, 112 Seiten : Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Sven-Olaf Moch ,

Guido Bell

Klassifikationen

33 Physik > 33.50 Physik der Elementarteilchen und Felder: Allgemeines ,

33 Physik > 33.56 Elementarteilchenphysik ,

33 Physik > 33.59 Physik der Elementarteilchen und Felder: Sonstiges

AC Nummer

AC15511553

Utheses ID

49856

Studienkennzahl

UA | 796 | 605 | 411 |

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