Top-Quarks unter der Lupe des LHCs: Vom Prozessmodellierung zur Parameter Bestimmung

• Antragstellerin: Professorin Dr. Malgorzata Worek
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 321941428

Der LHC hat, mit dem erfolgreichen Start der Teilchenkollisionen im Jahre 2010, einen weiteren Meilenstein in Richtung einer gründlichen Vermessung der Physik an der Teraskala erreicht. In der ersten Phase, von 2010 bis 2013, operierte der LHC mit einer Energie von 7 TeV, die während der zweiten Phase in 2012 auf 8 TeV gesteigert werden konnte. Nach einer beinahe zweijährigen Abschaltung, hat der LHC im Jahre 2015 erneut begonnen Daten zu sammeln. Dies markiert den Anfang der "LHC Run 2" Ära, die neue Wege zum tieferen Verständnis des Standardmodells (SM) eröffnet und hoffentlich zu neuen Entdeckungen führt. Ereignisse mit vielen Teilchen überschatten oder verändern stark mögliche Signal neuer Physik jenseits des SM. Daher, um die Daten richtig im Bezug auf Signalen neuer Physik zu interpretieren, ist es äußerst wichtig die theoretischen Unsicherheiten der Standardmodell Prozesse zu reduzieren. Dies ist besonders wichtig, wenn die Hintergrundsignale durch QCD Prozesse dominiert sind. Daher sind präzise QCD Rechnungen, d.h. Next-to-leading order (NLO) Rechnungen, für physikalische Observablen unverzichtbar. Viele entscheidende Messungen, die am ATLAS und CMS Experiment vermessen werden, hängen vom Top-Quark, dem schwersten aller Elementarteilchen, ab. Neben der Bestimmung der Top-Quark Masse, ist auch die Vermessung des totalen Wirkungsquerschnitt, von differenziellen Verteilungen sowie Spin-Korellationen und die Kopplung zu Eichbosonen und dem SM Higgs Boson wichtig. Unglücklicherweise ist das Top-Quark eine sehr kurzlebige Resonanz und es ist nur möglich Top-Quarks durch ihre Zerfallprodukte nachzuweisen. Um experimentelle Daten mit theoretischen Vorhersagen vergleichen zu können, müssen letztere den Top-Quark Zerfall beinhalten. Zudem werden, bei den hohen Kollisionsenergien am LHC, Top-Anti-Top Paare häufig mit großer Energie und hohem transversalen Impuls produziert. Durch die erhöhte Wahrscheinlichkeit von Gluon Bremsstrahlung im Anfangszustand wird der ttj Endzustand mit hoher Statistik messbar. Nicht nur die inklusive tt und ttj Produktion sind am LHC zugängig, sondern auch exklusive Endzustände. Letztere haben typischerweise einen viel kleineren Wirkungsquerschnitt, können jedoch Schlüssel-Informationen über die Eigenschaften des Top-Quarks liefern, wie z.B. die Top-Quark Kopplung an Eichbosonen. Der Zweck dieses Projektes ist es präzise und realistische theoretische Vorhersagen für die Produktion von Top Paaren zusammen mit zusätzlichen Teilchen im Endzustand zur Verfügung zu stellen. Dies bedeutet, dass man QCD Korrekturen zur Produktion, sowie zum Zerfall mit Spinkorellationen berücksichtigt. Um präzieser zu sein, wir konzentrieren uns NLO QCD Korrekturen für den vollständigen realistischen Endzustand, inklusiver off-shell Effekte für Top-Quarks, zu berechnen. Wir planen unsere threoretischen Ergebnisse auf ein breites Spektrum phenomenologischer Aspekte von Top-Quarks am LHC anzuwenden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen