Stefan Rode

• The present thesis is concerned with the automated computation of integrated and differential cross sections of diboson production in proton–proton and electron–positron collisions at very high energies, including a resummation of electroweak Sudakov logarithms to all orders in the fine-structure constant using soft–collinear effective theory. The search for new physics at future colliders such as the FCC–hh or the CLIC requires precise predictions for scattering cross sections from the theoretical high-energy physics com- munity.The present thesis is concerned with the automated computation of integrated and differential cross sections of diboson production in proton–proton and electron–positron collisions at very high energies, including a resummation of electroweak Sudakov logarithms to all orders in the fine-structure constant using soft–collinear effective theory. The search for new physics at future colliders such as the FCC–hh or the CLIC requires precise predictions for scattering cross sections from the theoretical high-energy physics com- munity. Electroweak Sudakov logarithms, which currently limit the accuracy of predictions in the high-energy tails of differential distributions for LHC-like energies, are known to destroy the convergence behaviour of the fixed-order perturbative series, once sufficiently high energies are considered. To resum these large corrections, soft–collinear effective theory has been applied to simple processes, which permits analytic calculations. Within this work, we present an automated computation within a Monte Carlo integration framework, thus facilitating the computation of fully differential cross section to complicated processes. This requires the use of the Catani– Seymour subtraction algorithm to treat the occurring infrared divergences. The machinery is applied to all diboson processes with intermediate weak gauge bosons, including the photon- induced W+ W− -production channel. To this end we carefully study the validity of the necessary assumptions such as the double- pole approximation and estimate the order of magnitude of neglected effects. Especially the non-doubly-resonant contributions turn out to be sizeable in several interesting phase-space regions. For lepton collisions at 3 TeV we obtain the integrated cross sections of W-pair and Z-pair production to be shifted by more than 20% with respect to the Born value, owing to the resum- mation of the leading-logarithmic corrections These effects are partly cancelled by subleading effects. For proton–proton collisions at √ s = 100 TeV we observe sizeable resummation effects in the high-energy tails, while the integrated cross sections are dominated by interactions, for which soft–collinear effective theory is not applicable.…
• Das Thema ist der vorliegenen Arbeit ist die automatisierte Berechnung differenzieller und integrierter Wirkungsquerschnitte der Paarerzeugung schwerer Eichbosonen bei sehr hohen Streuenergien mit Resummierung der auftretenden elektroschwachen Sudakov-Logarithmen zu allen Ordnungen in der Feinstrukturkonstanten mittels Soft-Collinear Effective Theory. Die Suche nach Physik jenseits des Standardmodells an zukunftigen Teilchenbeschleunigern wie dem FCC oder dem CLIC erfordert hochpräzise Voraussagen fur Streuquerschnitte seitens der theoretischenDas Thema ist der vorliegenen Arbeit ist die automatisierte Berechnung differenzieller und integrierter Wirkungsquerschnitte der Paarerzeugung schwerer Eichbosonen bei sehr hohen Streuenergien mit Resummierung der auftretenden elektroschwachen Sudakov-Logarithmen zu allen Ordnungen in der Feinstrukturkonstanten mittels Soft-Collinear Effective Theory. Die Suche nach Physik jenseits des Standardmodells an zukunftigen Teilchenbeschleunigern wie dem FCC oder dem CLIC erfordert hochpräzise Voraussagen fur Streuquerschnitte seitens der theoretischen Physik. Es ist seit langem bekannt, dass elektroschwache Sudakov-Logarithmen, die bereits gegenwärtig die Genauigkeit der Voraussagen in den Hochenergieschwänzen von Verteilungen limitieren, die Konvergenz der konventionellen Störungsreihen vollkommen zunichte machen, wenn hinreichend hohe Energien erreicht werden. Mittels Soft-Collinear Effective Theory wurden diese Logarithmen bereits in der Vergangenheit in einfachen Prozessen, die eine analytische Behandlung erlauben, resummiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden diese Methoden in ein Monte-Carlo-Integrationsprogramm implementiert, um somit vollständig differenzielle Vorhersagen präsentieren zu können. Dies erfordert die Behandlung von Infrarotdivergenzen mit Hilfe des Catani-Seymour-Algorithmus. Mit diesen Werkzeugen wurden resummierte Streuquerschnitte fur verschiedene Vektorboson-Paarproduktionsprozesse berechnet, u.a. fur den Photon-Photon-induzierten Produktionskanal zur W-Boson-Paarproduktion. Auf dem Weg dorthin sind verschiedene vereinfachende Annahmen notwendig, deren Gultigkeit im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls getestet wurde, so z.B. die Qualität der Doppelpolnäherung. Des weiteren wurden Größenordnungen vernachlässigter Effekte abgeschätzt. Dabei haben sich vor allem nicht doppelt resonante Beiträge in bestimmten Phasenraumregionen als beträchtlich herausgestellt. Der Resummationseffekt der fuhrend logarithmischen Korrekturen verschiebt die integrierten Paarproduktionsstreuquerschnitte um mehr als 20% bezogen auf den Bornstreuquerschnitt im Falle von Leptonkollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 3 TeV. Diese Effekte werden allerdings teilweise von nicht-führenden Beiträgen kompensiert. Fur Proton-Proton-Kollisionen bei √ s = 100 TeV finden wir deutliche Resummationseffekte in allen Hochenergieschwänzen, während die integrierten Wirkungsquerschnitte von Phasenraumregionen dominiert werden, in denen Soft-Collinear Effective Theory nicht anwendbar ist.…