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QCD resummation for jets with massive quarks
Daniel Samitz
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Physik)
Betreuer*in
Andre Hoang
DOI
10.25365/thesis.71203
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-12979.93618.749914-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Diese Dissertation behandelt die Resummierung logarithmischer Korrekturen zu differentiellen Wirkungsquerschnitten für Prozesse in denen QCD Jets mit massiven Quarks auftreten. Dazu werden Methoden der effektiven Feldtheorien sowie Parton Shower Algorithmen benutzt. Der Fokus liegt dabei einerseits darauf zu untersuchen wie die Masse eines schweren Quarks die Eigenschaften der Resummierung der logarithmischen Korrekturen ändert, und andererseits wie die Resummierung mithilfe von Parton Shower Algorithmen die Messungen der Quarkmasse an Teilchenbeschleunigern beeinflusst. Diese Dissertation besteht aus zwei Teilen.
Im ersten Teil werden zwei Methoden vorgestellt, wie man auf eine systematische Art und Weise die Masseneffekte eines schweren Quarks in die Resummierung differentieller Wirkungsquerschnitte in hadronischen Kollisionen inkludieren kann. Dabei beschränken wir uns auf den Fall von Jets im Endzustand. In diesem Fall treten große Logarithmen von Verhältnissen der verschiedenen Energieskalen in dem Prozess auf, welche zu allen Ordnungen der Störungstheorie resummiert werden müssen. Wir nennen diese beiden Methoden, welche auf leicht unterschiedlichen Prinzipien beruhen allerdings konsistente Resultate geben, das universal factorization (UF) Schema und das mass mode factorization (MMF) Schema. Wir erklären diese Methoden am Beispiel des Drell-Yan Prozesses, wobei als Observablen der Transversalimpuls des produzierten Leptonpaares sowie Beamthrust gewählt werden, da diese beiden Observablen unterschiedliche Eigenschaften bezüglich der Resummierung aufweisen. Als ein weiteres Beispiel wird tief-inelastische Streuung in der Endpunkt Region besprochen. Mit dem UF und dem MMF Schema können im Rahmen der Soft-Collinear Effective Theory (SCET) Faktorisierungstheoreme mit variabler Anzahl der aktiven Quarkflavors (variable flavor number scheme) konstruiert werden, welche es erlauben, alle Logarithmen, welche von der Quarkmasse abhängen, zu resummieren, und zwar für jedes beliebige Verhältnis der Quarkmasse zu den anderen Energieskalen in dem Prozess. Die Beiträge eines massiven Quarkflavors zu den Soft- und Beamfunctions, welche für eine NNLL$^\prime$ Resummierung (d.h. Evolution mit ``next-to-next-to-leading'' logarithmischer (NNLL) Genauigkeit und Anfangsbedingungen bis zur ``next-to-next-to-leading'' Ordnung (NNLO)) nötig sind, werden berechnet. Außerdem wird der Einfluss der Quarkmasse auf die Evolution der Renormierungsgruppe sowohl in Virtualität als auch in Rapidität untersucht.
Der zweite Teil der Dissertation beschäftigt sich mit der Interpretation des Parameters der Top-Quark Masse in einem winkelgeordneten Parton Shower, welcher auf dem coherent branching Formalismus beruht. Parton Shower sind Teil von Monte Carlo (MC) Event Generatoren und damit wichtige Werkzeuge für die Beschreibung der Physik an Teilchenbeschleunigern. Die genauesten Messungen der Top-Quark Masse aus der Rekonstruktion der Zerfallsprodukte des Top-Quarks basieren auf dem Vergleich von experimentellen Daten mit Vorhersagen, die mit einem MC Event Generator gemacht wurden. Allerdings ist bis heute das exakte Verhältnis des Massenparameters von MC Event Generatoren - oft generisch als ``Monte Carlo Masse'' bezeichnet - zu feldtheoretisch wohldefinierten, renormierten Massendefinitionen unklar. Dies führt zu zusätzlichen Unsicherheiten in den Messungen der Top-Quark Masse, welche von der selben Größenordnung wie die derzeitigen experimentellen Messunsicherheiten sind, welche ungefähr 0.5 GeV betragen. In dieser Arbeit wird der Effekt eines Parton Shower Cutoffs auf den Massenparameter in einem winekelgeordneten Parton Shower, wie er im Herwig 7 MC Event Generator implementiert ist, untersucht. Dazu berechnen wir analytisch die 2-Jettiness Verteilung in der Peak-Region für $e^+e^-$-Kollisionen im coherent branching Formalismus mit einem Cutoff, der auf den Transversalimpuls wirkt. Die Ergebnisse werden verglichen mit analogen Berechnungen im Rahmen von SCET und boosted Heavy Quark Effective Theory (bHQET). Es wird gezeigt, dass im Falle eines endlichen Shower Cutoffs der Massenparameter des Quarks nicht als die Pol-Masse interpretiert werden kann. Das wichtigste Resultat dieser Arbeit ist die Identifizierung einer Cutoff-abhängigen coherent branching Masse als jenes Massenschema, das durch den Parton Shower effektiv implementiert wird. Alle Resultate werden direkt mit dem Herwig 7 Event Generator verglichen, wobei wir eine sehr gute Übereinstimmung mit unseren Vorhersagen finden.
Abstract
(Englisch)
This thesis studies the resummation of logarithmic corrections in differential cross sections in the presence of QCD jets with massive quarks, using effective field theory methods based on factorization and renormalization group running, and parton shower algorithms. The main focus is on how the mass of a heavy quark affects the resummation properties and how on the other hand the resummation using parton shower algorithms affects the quark mass measurements in collider experiments. The thesis consists of two parts.
The first part presents two different ways of systematically including quark mass effects in the resummation of differential distributions in the jet limit in hadronic collisions, where large logarithmic contributions of ratios of different energy scales spoil the fixed-order perturbative expansion and need to be resummed to all orders. We call these two frameworks, that are based on slightly different approaches but are shown to give consistent results, the universal factorization (UF) scheme and the mass mode factorization (MMF) scheme. We study the Drell-Yan process, where we focus on the transverse momentum of the produced lepton pair and beam thrust as two observables that exhibit different resummation properties, and deep-inelastic scattering in the endpoint region. Within the UF and the MMF frameworks, factorization theorems based on Soft-Collinear Effective Theory (SCET) are constructed that provide variable flavor number schemes that are capable of correctly resumming all mass related logarithms for any given hierarchy of the quark mass with respect to the other physical scales in the process. The contributions from massive flavors to the beam and soft functions required for NNLL$^\prime$ resummation (combining evolution with next-to-next-to-leading logarithmic accuracy (NNLL) with next-to-next-to-leading order (NNLO) boundary conditions) are calculated and the effects of the quark mass on the resummation concerning renormalization group (RG) evolution in both virtuality and rapidity are discussed.
The second part studies the interpretation of the top quark mass parameter in an angular order parton shower based on the coherent branching formalism. Parton showers as part of multipurpose Monte Carlo (MC) event generators are an essential tool in modern collider physics. The most precise measurements of the top quark mass, based on direct reconstruction, rely on the comparison of MC predictions to the experimental data. However, as of today the exact relation of the mass parameter in the MC event generator, generically called the ``Monte Carlo mass'', to a well defined mass scheme is still unclear. This results in uncertainties on how to interpret the top quark mass extracted in these measurements that are of the same order as current experimental uncertainties, which are about 0.5 GeV. We study the effect of the parton shower cutoff on the mass parameter for the angular ordered parton shower as implemented in the Herwig 7 MC event generator. For this we compare analytic calculations for the 2-jettiness distribution in the peak region in $e^+e^-$ collisions in the coherent branching formalism with a transverse momentum cutoff, with results from the QCD factorization theorem based on SCET and boosted Heavy Quark Effective theory (bHQET). We show that in the presence of a shower cutoff the quark mass parameter cannot be interpreted as the pole mass. The main result of this work is to establish instead a cutoff dependent coherent branching mass as the mass scheme that is effectively implemented in the parton shower. All findings are directly compared to the Herwig 7 event generator, where a very good agreement with our predictions is found.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
QCD Jets schwere Quarks Top Quark Parton Shower Monte Carlo Event Generator effektive Feldtheorien SCET
Schlagwörter
(Englisch)
QCD jets heavy quarks top quark parton shower Monte Carlo event generator effective field theories SCET
Autor*innen
Daniel Samitz
Haupttitel (Englisch)
QCD resummation for jets with massive quarks
Paralleltitel (Deutsch)
QCD Resummierung für Jets mit massiven Quarks
Publikationsjahr
2021
Umfangsangabe
ix, 254 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Andre Hoang
AC Nummer
AC16543554
Utheses ID
61530
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |