Precision Calculations for Weakino-Pair Production at Hadron Colliders

Abstract

A matter of particular interest after the discovery of the Higgs boson is the search for supersymmetric particles which could give answers to several important questions in particle physics. Essential for the search for these hypothetical particles at the Large Hadron Collider (LHC) are calculations of observables with the highest possible precision. To this end, higher-order corrections in the strong interaction and the resummation of logarithmically enhanced contributions via parton-shower simulations have to be considered.

The signatures of supersymmetric particles in detectors are significantly affected by hard jets in the final state which originate from the radiation of hard gluons and quarks. It is thus necessary to include them in higher-order calculations. The central concern of this thesis is an extensive phenomenological study of pair-production processes in the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) taking into account the radiation of hard jets. For that purpose, we calculate matrix elements at the next-to-leading order (NLO) in the strong coupling for electroweakino-pair production processes without and with a hard jet in the final state. To further refine the precision of experimentally accessible observables, the matrix elements of the hard scattering process are matched to a parton-shower Monte Carlo program via the \POWHEG{} formalism.

During the implementation of the processes we do not use any simplification with regard to masses or resonance effects. The complete NLO-QCD calculation includes complicated resonance structures in the real corrections which we regularize by a suitable subtraction method. To obtain well-defined matrix elements, we use the so-called \PROSPINO{} subtraction scheme for singly resonant real-emission matrix elements. For diagrams that are doubly resonant an extended version of this method is being used. This subtraction method is the first to be applicable to processes with three final-state particles at tree level.

Additionally, by using the \POWHEGBOX{} we are able to generate arbitrary NLO distributions corrected by parton-shower effects. With the help of usual phase-space cuts we investigate the influence of the corrections to observables in experimental analyses. Typical and important observables are mono-jet distributions and distributions of missing transverse energy. These observables are notably vital for the search of neutral supersymmetric particles which could be the candidates for the long-sought dark matter.

Von besonderem Interesse ist nach der Entdeckung des Higgs-Bosons die Suche nach supersymmetrischen Teilchen, die Antworten auf offene Fragen der Teilchenphysik liefern können. Unerlässlich für die Suche nach diesen hypothetischen Teilchen am Large Hadron Collider (LHC) sind Berechnungen von Observablen mit höchster Präzision. Dazu ist es insbesondere nötig, Korrekturen höherer Ordnung bezüglich der starken Wechselwirkung zu berechnen und die Resummation logarithmisch verstärkter Beiträge durch Partonschauersimulationen durchzuführen.

Die Signaturen von supersymmetrischen Signalen im Detektor werden maßgeblich durch harte Jets im Endzustand, die aus der Abstrahlung farbgeladener Teilchen entstehen, verändert und müssen daher in die Rechnung einbezogen werden. Zentrales Anliegen dieser Dissertation ist eine umfassende phänomenologische Studie von Paarproduktionsprozessen im Minimalen Supersymmetrischen Standardmodell (MSSM) unter Berücksichtigung von Jetabstrahlung. Dazu berechnen wir die Matrixelemente für Elektroweakino-Paarproduktionsprozesse mit und ohne einem harten Jet in nächstführender Ordnung (NLO) in der starken Kopplung und binden diese in ein Partonschauerprogramm ein. Wichtigstes Hilfsmittel, um die Matrixelemente der harten Streuung mit einem Partonschauerprogramm zu verknüpfen, ist dabei der \POWHEG-Formalismus.

Bei der Implementierung der Prozesse benutzen wir keine Vereinfachungen in Hinblick auf Massen oder Resonanzeffekte. Die vollständige NLO-QCD-Rechnung beinhaltet komplizierte Resonanzstrukturen in den reellen Korrekturen, die wir durch einen geeigneten Ansatz regularisieren. Um wohldefinierte Matrixelemente zu erhalten, benutzen wir für einfach resonante reelle Matrixelemete das sogenannte \PROSPINO-Subtraktionsschema. Für Diagramme, die doppelte Resonanzen enthalten, benutzen wir eine erweiterte Subtraktionsmethode. Diese Subtraktionmethode ist neuartig für Prozesse mit drei Teilchen im Endzustand auf Born-Niveau.

Wir sind in der Lage durch das Verwenden der \POWHEGBOX{} beliebige NLO-Verteilungen mit Partonschauereffekten zu generieren. Anhand experimentell üblicher Phasenraumschnitte untersuchen wir den Einfluss der Korrekturen auf wichtige Observablen, wie Monojet-Verteilungen und Verteilungen für die fehlende transversale Energie, in experimentellen Analysen. Diese Observablen sind wesentlich für die Suche nach supersymmetrischen Teilchen, die als Kandidaten für dunkle Materie in Frage kommen.