Precision Calculations and their Application to LHC Data

Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN in der Nähe von Genf ist der größte und energiereichste existierende Teilchenbeschleuniger. Er kollidiert Protonen miteinander, welche aus Quarks und Gluonen bestehen und durch die starke Kraft gebunden werden. Ihre Wechselwirkungen werden durch die Quantenchromodynamik (QCD) bestimmt. Die Beziehung zwischen dem einlaufenden Proton als gebundenem Zustand und seinen einzelnen Bestandteilen wird empirisch durch Partonverteilungsfunktionen (PDFs) beschrieben, die daher in jeder Berechnung theoretischer Vorhersagen für LHC-Prozesse auftauchen. ... mehrDie Extraktion dieser PDFs aus gemessenen Daten erfordert rechenzeitintensive iterative Verfahren. Um Ergebnisse in angemessener Zeit zu erhalten, ist daher ein sehr effizienter und flexibler Algorithmus erforderlich. Das APPLfast Projekt erfüllt diese Anforderungen, indem es Interpolation einsetzt und damit eine a posteriori Wahl der PDFs und des Wertes der starken Kopplung ermöglicht.
In dieser Arbeit wird die allgemeine Logik des Projekts erläutert und der Code für Berechnungen von Dijet-Produktion in übernächst-führender Ordnung in QCD verwendet, wobei die volle Farbstruktur inkludiert ist. Basierend auf diesen Berechnungen wird der Wert der starken Kopplung aus am LHC gemessenen Experimentaldaten bestimmt, es ergibt sich $\alpha_s(m_Z) = 0.1176 \pm 0.0014$.

Darüber hinaus ist der LHC der Ort, an dem 2012 das Higgs-Boson entdeckt wurde. Seitdem werden die Eigenschaften dieses Teilchens mit großem Eifer untersucht, um zu testen, ob es sich so verhält, wie es das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik vorhersagt. Abweichungen vom SM können mit Hilfe von Effektiver Feldtheorie (EFT) beschrieben werden, die in dieser Arbeit verwendet wird, um mögliche Nicht-SM-Effekte bei der Produktion eines Higgs-Bosons in Verbindung mit einem Jet zu untersuchen. Im Rahmen der nichtlinearen EFT werden Berechnungen in nächst-führender Ordnung in QCD und unter Einbeziehung der kompletten Top-Massen-Abhängigkeit sowohl innerhalb des SM als auch darüber hinaus durchgeführt, welche zeigen, dass erhebliche und möglicherweise messbare Abweichungen vom SM für hohe Werte des Transversalimpulses des Higgs-Bosons auftreten können.

The Large Hadron Collider (LHC) at CERN near Geneva is the largest and most energetic particle accelerator existing. It collides protons, which are composite objects made of quarks and gluons, bound together by the strong force. Their interactions are governed by quantum chromodynamics (QCD). The relation between the incoming proton as a bound state and its single constituents is empirically described by parton distribution functions (PDFs), which therefore appear in every calculation of theoretical predictions for LHC processes. The extraction of these PDFs from measured data involves computing time expensive iterative procedures. ... mehrHence, to produce results in reasonable time, a very efficient and flexible setup is needed. The APPLfast project fulfills these requirements by using grid interpolation, thereby allowing for an a posteriori choice of a set of PDFs or value of the strong coupling.
This thesis explains the general logic of the project and uses the code for calculations of dijet production at next-to-next-to-leading order in QCD, including the full color structure. Based on these calculations the value of the strong coupling is determined from experimental data taken at the LHC, yielding $\alpha_s(m_Z) = 0.1176 \pm 0.0014$.

Other than that, the LHC is the place where the Higgs boson was discovered in 2012. Since then, the properties of this particle are studied with great eagerness, trying to test whether it behaves like predicted by the Standard Model (SM) of particle physics. Deviations from the SM can be described with Effective Field Theory (EFT), which is used in this thesis to examine possible non-SM effects in Higgs plus one jet production. Calculations at next-to-leading order in QCD including the full top mass dependence are made both within and beyond the SM, in the framework of non-linear EFT, showing that sizable and possibly measurable deviations from the SM can arise for high values of the Higgs boson transverse momentum.