Schwere Quarkmassen von Jets mit effektiven Feldtheorien

Die im Moment genauesten Messungen der Masse des Topquarks kommen aus kinematischen Fit-Analysen des Topquark-Massenparameters der bei den experimentellen Auswertungen benutzten Monte-Carlo-Simulation an die gemessenen Daten. Jedoch ist die genaue Beziehung zwischen dem Topquark- Massenparameter von Monte-Carlo-Simulationen und den feldtheoretisch exakt bestimmten Topquark-Massendefinitionen unbekannt. Die dadurch entstehende Unsicherheit wurde bis heute noch nicht exakt quantifiziert und beschränkt somit die theoretische Interpretation der experimentellen Topmassen- Messungen. Durch die in dem vorgestellten Projekt beschriebenen Arbeiten soll diese Problematik gelöst werden. Das Projekt besteht aus zwei Zielsetzungen, von denen bislang keines in der Literatur erreicht wurde. Das erste Ziel besteht in der hochpräzisen theoretischen Berechnung von sogenannten Eventshape- Verteilungen (wie z.B. Thrust) bei der Produktion von schweren Quarks für die beobachtbaren hadronischen Elementarteilchen. Diese Eventshape-Verteilungen sind sehr sensitiv aus die Masse des Quarks, und die Berechnungen beinhalten die Implementation von feldtheoretisch exakt bestimmten Quark- Massendefinitionen. Die erforderlichen theoretischen Schritte basieren auf der Methode der sogenannten effektiven Feldtheorien. Diese erlaubt die systematische Aufsummierung von großen Logarithmen, die in der Störungsreihe auftreten, und die konsistente Behandlung der Hadronisierungs- Korrekturen, die beim Übergang von Quarks und Gluonen zu den experimentell beobachtbaren Elementarteilchen auftreten. Das zweite Ziel des Projekts beinhaltet eine systematische numerische Analyse der Relation des Quarkmassen-Parameters in den Monte-Carlo-Simulationen zu feldtheoretisch definierten Quarkmassen-Definitionen. Dies geschieht durch den Vergleich der in der ersten Zielsetzung erreichten theoretischen Berechnungen für die Eventshape-Verteilungen zu den entsprechenden Berechnungen der Monte- Carlo-Simulation. Der Vergleich basiert auf Fit-Analysen, welche numerische Information zur Beziehung der Massen liefern werden.

Das Topquark ist mit einer Masse von etwa der eines einzelnen Goldatoms das schwerste bekannte Elementarteilchen. Die Masse des Topquarks ist ein sehr wichtiger Parameter, der für viele andere theoretischen Vorhersagen in der Teilchenphysik gebraucht wird, und sie spielt auch eine wichtige Rolle im Verständnis der Stabilität des Vakuums, in dem wir und unser ganzes Universum existieren. Die im Moment genauesten Messungen der Topquarkmasse kommen vom Large-Hadron-Collider (LHC). Dabei wird der Topquark-Massenparameter in den Monte-Carlo-Eventgeneratoren, die für die Simulationen der Teilchenkollisionen benutzt werden, aus Fits zu kinematischen Verteilungen bestimmt. Monte-Carl-Eventgeneratoren sind sehr flexible Programme, die es erlauben alles Aspekte der Proton-Kollisionen am LHC zu simulieren, ihre interne theoretische Genauigkeit ist jedoch relativ limitiert. Aus diesem Grund war vor dem Projekt die genaue Relation zwischen dem Monte-Carlo Topquark-Massenparameter und konsistent definierten Quanfeldtheorie-Topquark-Massenparametern unbekannt. Deshalb war die Interpretation der Topquark-Massenmessungen eingeschränkt. Das Projekt hat zwei wichtige Beiträge gemacht, um diese Einschränkung zu beseitigen. Zum einen wurden neue theoretische Resultate erarbeitet, welche die Präzision der theoretischen Beschreibung von sogenannten Jetmassen-Observablen verbessern, welche sehr sensitiv auf die Topquarkmasse sind. Dabei wurden auch eine Zahl von offenen konzeptionellen Fragen geklärt, die für die quantenfeldtheoretische Beschreibung dieser Observablen relevant sind. Unter den Ergebnissen sind die Berechnung der Zweischleifen Jet-Funktion für schwere Quarks, eine Hochpräzisionsanalyse der Relationen zwischen verschiedenen Massen-Renormierungsschemata, eine systematische Klassifikation von verschiedenen Konventionen von Jetmassen-Observablen und eine Neuberechnung der Jetmassenverteilung in der Peakregion mit der bisher höchsten erreichten Genauigkeit. Dazu wurden neue Methoden entwickelt, das sogenannte Jet-Grooming im Rahmen von systematischen theoretischen Vorhersagen zu ermöglichen, wodurch die Ergebnisse des Projekts auch für den LHC anwendbar werden. Zum anderen wurde im Projekt eine Kalibrationsmethode entwickelt, welche die Bestimmung einer numerischen Relation zwischen dem Monte-Carlo-Topquark-Massenparameter und Quantenfeldtheorie-Topquarkmassen erlaubt. Diese Methode basiert auf Fits zwischen den theoretischen Vorhersagen und Monte-Carlo-Pseudodaten und wurde zunächst für Elektron-Positron-Kollisionen konzipiert. Mit Hilfe des Jet-Groomings konnte diese Methode in Zusammenarbeit mit der LHC-ATLAS-Kollaboration auf Proton-Proton-Kollisionen erweitert werden.