W-Paarproduktion an zukünftigen Lepton-Beschleunigern

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Dittmaier
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 493103835

Zukünftige e+e- Beschleuniger wie der ILC oder der FCC-ee bieten fantastische Möglichkeiten für Hochpräzisionsmessungen, um das Standardmodell auf den Prüfstand zu stellen. Durch einen Scan des totalen Wirkungsquerschnitts für WW-Produktion über die Energieschwelle kann dort z.B. die W-Boson-Masse auf 3MeV bzw. 0,5-1MeV genau bestimmt werden. Ziel des Forschungsprojektes ist es, die nötigen hochpräzisen Vorhersagen für den e+e- -> WW -> 4fermion (ee4f) Streuquerschnitt zu liefern, die der enormen experimentellen Genauigkeit entsprechen. Insbesondere in der WW-Schwellenregion, ist eine Präzision des Streuquerschnitt im Subpromille-Bereich erforderlich.Für WW-Analysen bei LEP2 war eine Genauigkeit von ~2% an und von ~0.5% oberhalb der Schwelle ausreichend, so dass Strahlungskorrekturen der nächst-führenden Ordnung (NLO) nur in den W-Resonanz-Regionen benötigt wurden, was zum Konzept der "Doppel-Pol-Approximationen" führte. Einige Jahre nach LEP2 wurden die Vorhersagen auf zwei Arten verbessert: Zum einen wurden die NLO-Korrekturen zum vollen ee4f-Prozess berechnet, nachdem die Probleme mit der eichinvarianten Behandlung der W-Resonanzen und in der Auswertung von Ein-Schleifen-Amplituden mit vielen äußeren Teilchen gelöst wurden. Zum anderen wurden die vollständigen NLO-Korrekturen sowie einige führende Terme höherer Ordnung in einer Effektiven Feldtheorie (EFT) berechnet, die speziell für die Beschreibung der WW-Schwelle entwickelt wurde.Für die angestrebte Präzision an der Schwelle müssen die ee4f- und EFT-Vorhersagen kombiniert und erweitert werden. Die ee4f-Berechnung bietet die nötige Genauigkeit außerhalb der W-Resonanzen, während die EFT es ermöglicht, in Resonanznäehe über NLO-Genauigkeit hinauszugehen. In beiden Zugängen sind jedoch signifikante Verbesserungen erforderlich. Im ee4f-Teil müssen alle 4f-Endzustände in voller NLO-Präzision behandelt werden, inklusive aller prozess-spezifischer Interferenzen, und Effekte der Photonabstrahlung vom Anfangszustand müssen über NLO hinaus einbezogen werden. Der Fortschritt vergangenener Jahre im Bereich automatisierter NLO-Rechnungen ist hier entscheidend. In der EFT ist die Verallgemeinerung auf die volle nächst-nächst-führende Ordnung (NNLO) erforderlich, was konzeptionelle und technische Herausforderungen mit sich bringt. Konzeptionell wird dies in der EFT einige Nebenprodukte hervorbringen, die nützlich für ähnliche Rechnungen sein werden, z.B. für die Erzeugung von Paaren schwerer Quarks. Die technische Herausforderung der harten Zwei-Schleifen-Korrekturen kann nur durch den dramatischen Fortschritt im Bereich der Viel-Schleifen-Rechnungen der letzten Jahre gemeistert werden. Das Endprodukt des Projektes wird ein Monte-Carlo-Programm sein, das die weiterentwickelten NLO ee4f- und NNLO EFT-Teile im Bereich der WW-Schwelle vereint und einen nahtlosen Übergang zur NLO ee4f-Vorhersage bei mittleren und hohen Energien erlaubt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Maximilian Stahlhofen