Elektroschwache und QCD Strahlungskorrekturen zur assoziierten Higgs-Boson-Produktion am LHC

• Antragsteller: Hantian Zhang, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 551164544

Die Entdeckung des Higgs-Bosons am Large Hadron Collider (LHC) des CERN im Jahr 2012 hat den Mechanismus der spontanen elektroschwachen Symmetriebrechung bestätigt. Dieser Mechanismus ist das Fundament des Standardmodells (SM) der Teilchenphysik, das die starke (QCD) und elektroschwache Wechselwirkung als Quantenfeldtheorie beschreibt. Es gibt jedoch grundlegende Probleme, die vom SM nicht erklärt werden können, wie die Herkunft der Dunklen Materie und die Materie-Antimaterie-Asymmetrie des Universums. Diese Probleme erfordern eine grundlegendere Theorie jenseits des SM (BSM) mit neuen physikalischen Effekten, die wir am LHC suchen. Zehn Jahre nach der Higgs-Entdeckung ist klar, dass die Suche nach neuer Physik weiterhin sehr anspruchsvoll ist. Ein präziser Vergleich zwischen theoretischen Vorhersagen und experimentellen Messungen ist entscheidend, um neue Physikeffekte zu entdecken, insbesondere bei der Higgs-Boson-Produktion. Deshalb zielt dieses Projekt darauf ab, höhere Ordnung QCD und elektroschwache Strahlungskorrekturen für zwei Schlüsselprozesse am LHC zu berechnen: die Z-Boson-assoziierte-Higgs-Boson-Produktion und die Higgs-Boson-Plus-Jet-Produktion. Teil I: Analytische Berechnung der wichtigen, fehlenden virtuellen Korrekturen der nächsten Ordnung (NLO) für die Z-Boson-assoziierte-Higgs-Boson-Produktion aus Gluon-Fusion. Dabei ist der Bereich mit hohem Transversalimpuls (pT) des Higgs-Bosons von großem Interesse, da die fiduzialen Querschnitte und pT-Spektren empfindlich auf BSM-Effekte und EW-Korrekturen reagieren. Die Berechnungen umfassen fortgeschrittene Hochenergieentwicklungen von Zweischleifen-Vierpunkt-Feynman-Integralen mit internen massiven Teilchen wie Top-Quark, Higgs und Eichbosonen. Um diese schwierigen Integrale zu lösen, werde ich Differentialgleichungs- und Mellin-Barnes-Techniken sowie ein neuartiges Tool AsyInt, das ich entwickelt habe, einsetzen. Die Ergebnisse werden für die hochmodernen Studien der Eigenschaften des Higgs-Bosons von entscheidender Bedeutung sein. Teil II: Bereitstellung der Real-Real-Virtuellen (RRV)-Korrekturen in der dritten Ordnung (N3LO) der QCD für die Higgs-Plus-Jet-Produktion unter Verwendung von OpenLoops, einer weit verbreiteten Software, an der ich als Mitautor beteiligt bin. Für phänomenologische Studien ist es entscheidend, hochpräzise RRV-Beiträge zu haben, die Einschleifen-Sechspunkt-Amplituden im herausfordernden Bereich doppelter, reeller Strahlung erfordern. Um dies zu erreichen, schlage ich vor, eine analytische Entwicklung aller Ordnungen im Limit doppelter reeller Strahlung zu entwickeln. Diese Entwicklung wird weitere RRV-Korrekturen für ein breites Spektrum von LHC-Prozessen ermöglichen. Die Fertigstellung dieses Projekts wird die Grenzen der Präzisionsphysik vorantreiben und es ermöglichen, zu testen, ob die bevorstehenden LHC-Messungen dieser beiden Prozesse mit den SM-Vorhersagen übereinstimmen oder sich zu neuen Physikszenarien hinbewegen.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle