NLO Corrections and Parton Shower Effects on Electroweak Higgs Production in Association with Two Jets

Abstract

Nach dem großen Erfolg, den die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 für die Teilchenphysik darstellte, konzentriert sich die Forschung in diesem Fachgebiet mittlerweile darauf, das Standardmodell der Teilchenphysik mit höchster Präzision zu testen. Dahinter steht unter anderem die Hoffnung, Aussagen darüber treffen zu können, ob das Standardmodell tatsächlich als die fundamentale Theorie der Teilchenphysik anzusehen ist oder ob ihm eine umfassendere Theorie zugrunde liegt, die auch neue Physik jenseits dieses Modells beschreibt. Besonderer Fokus liegt in der aktuellen Forschung auf den verschiedenen Produktionsprozessen des Higgs-Bosons. Im Rahmen dieser Dissertation wird einer dieser Prozesse untersucht, namentlich die elektroschwache Produktion des Higgs-Bosons in Assoziation mit zwei harten Jets. Dieser Prozess zeichnet sich einerseits durch seine klare experimentelle Signatur aus und gilt andererseits als besonders sensitiv gegenüber den Effekten neuer Physik. Zentraler Bestandteil der Untersuchung in dieser Dissertation ist eine Rechnung, die Korrekturen in der nächstführenden Ordnung sowohl der starken, als auch der elektroschwachen Kopplung berücksichtigen kann. Diese Rechnung wird als Nutzerprozess im frei verfügbaren Programm POWHEG BOX RES implementiert. Durch den POWHEG-Formalismus wird eine Verknüpfung der Matrixelemente für den harten Streuprozess mit einem sogenannten Partonschauer ermöglicht, welcher die Berechnung von exklusiven Observablen erlaubt, die besonders für den Vergleich mit experimentellen Analysen große Relevanz besitzen. Die in dieser Arbeit präsentierte Implementierung stellt in Bezug auf den wichtigen Subprozess der Vektorbosonfusion (VBF) die erste frei verfügbare Rechnung in nächstführender Ordnung der elektroschwachen Kopplung dar, die mit einem QED-Schauer kombiniert werden kann. Gleichzeitig verzichten wir auf die weit verbreitete “VBF-Näherung”, in der nur dieser Subprozess betrachtet wird und der Subprozess der Higgsstrahlung vernachlässigt wird. Der Verzicht auf diese Näherung erlaubt es uns, Vorhersagen in einem deutlich weiter gefassten Bereich des Phasenraums mit hoher Präzision zu treffen. Unsere neue Implementierung ermöglicht es, praktisch beliebige kinematische Verteilungen des Prozesses zu generieren. Beispielhaft werden in dieser Arbeit einige dieser Verteilungen präsentiert und diskutiert. Dabei zeigt sich, dass wir in der Lage sind, bekannte Ergebnisse in nächstführender Ordnung der starken Kopplung und mit Partonschauer zu reproduzieren. Darüber hinaus unterstreichen die Ergebnisse die Wichtigkeit der Korrekturen in der nächstführenden Ordnung der elektroschwachen Kopplung, während sich Effekte durch einen QED-Schauer als vergleichsweise gering herausstellen.

While every particle predicted by the Standard Model of particle physics has been observed since the Higgs boson was finally discovered in 2012, researchers in the field continue to test the predictions by this very successful theory with enormous precision. Their hope is to be able to determine whether the Standard Model is actually the fundamental theory of the elementary particles, or whether it is part of a more comprehensive theory. Since its discovery, the properties of the Higgs boson and its various production channels have drawn special attention in the scientific community. This thesis focusses on one of these production modes, namely the electroweak production of a Higgs boson in association with two hard jets. This process is known for its high signal-to-background ratio and is expected to be particularly sensitive to the effects of new physics beyond the Standard Model. We present an implementation of this process in the publicly available framework of the POWHEG BOX RES. This implementation includes corrections at the next-to-leading order of both the strong as well as the electroweak coupling and can be matched to a so-called parton shower, therefore allowing for the calculation of exclusive distributions that can be compared to experimental results. Regarding the sub-process of vector boson fusion (VBF), we present the first calculation that allows for the matching of a parton shower with a precision calculation at the next-to leading order of the electroweak coupling. Furthermore, we do not rely on the widely used VBF approximation, which neglects contributions corresponding to the sub-process of Higgsstrahlung. We are thus able to perform precision calculations in a significantly larger part of the phase space than previous implementations in the POWHEG framework that were limited to the VBF approximation. Using our new implementation, one can calculate arbitrary kinematic distributions of the final state particles. In this thesis, this is demonstrated by a phenomenological study featuring selected important distributions. We thereby not only confirm the ability of our code to reproduce existing results at the next-to-leading order of the strong coupling, but we are also able to show the importance of corrections at next-to-leading order of the electroweak coupling. In contrast, the influence of a QED shower turns out to have only a mild influence.