Precision calculations for gamma gamma -> 4 fermions and H -> WW/ZZ -> 4 fermions

In dieser Arbeit werden Präzisionsrechnungen für die Prozesse gamma gamma -> 4 Fermionen und H -> WW/ZZ -> 4 Fermionen vorgestellt. An einem gamma-gamma-Collider werden wegen des großen Wirkungsquerschnitts genaue theoretische Vorhersagen für die Prozesse gamma gamma -> WW -> 4f benötigt. Mittels dieser Prozesse lassen sich unter anderem die Eichboson-Kopplungen gamma-W-W und gamma-gamma-W-W messen. Außerdem wird über virtuelle geladene, massive Teilchen die Reaktion gamma gamma -> H -> WW/ZZ -> 4f ermöglicht. Auf diese Weise läßt sich die Kopplung gamma-gamma-H messen, und relativ schwere Higgs-Bosonen könnten erzeugt werden. Für Massen MH > 135 GeV zerfällt das Higgs-Boson hauptsächlich über W- und Z-Bosonen in vier Fermionen. Bei der kinematischen Rekonstruktion dieser Zerfälle spielen Quanten-Korrekturen, insbesondere Photon-Bremsstrahlung, eine wichtige Rolle. Die Einbeziehung der Zerfälle der Eichbosonen in Fermionen ist zum einen wichtig, weil unterhalb von MH ≈ 2MW/MZ „off-shell“-Effekte der Eichbosonen berücksichtigt werden müssen. Zum anderen lassen sich mit Hilfe von Winkel- und Energie-Verteilungen der Fermionen der Spin und die CP-Eigenschaften des Higgs-Bosons bestimmen. Besonders geeignet für den Vergleich theoretischer Vorhersagen mit experimentellen Daten sind Monte-Carlo-Generatoren. Für die Prozesse gamma gamma -> 4f und H -> WW/ZZ -> 4f werden solche Programme konstruiert. Sie liefern zum einen die kompletten Vorhersagen in niedrigster Ordnung der Störungstheorie. Zum anderen enthalten sie Quanten-Korrekturen, die sich unterteilen lassen in reelle Korrekturen, welche durch Photon-Bremsstrahlung gegeben sind, und virtuelle Korrekturen. Während die virtuellen Quanten-Korrekturen zu gamma gamma -> WW -> 4f in der Doppel-Pol-Näherung berechnet werden, in der nur die doppelt resonanten Beiträge berücksichtigt werden, werden zu den Prozessen H -> WW/ZZ -> 4f die kompletten Quantenkorrekturen der Ordnung O(alpha) berechnet. Für die Behandlung der in den virtuellen und reellen Korrekturen auftretenden infraroten Divergenzen („soft“ und „collinear“) wird wahlweise die Dipol-Subtraktions-Methode oder die Phase-Space-Slicing-Methode verwendet. Nicht bei allen Observablen müssen sich die bei kollinearer Photon-Abstrahlung auftretenden Massen-Singularitäten gegenseitig aufheben. Um auch solche nicht-kollinear-sichere Observablen untersuchen zu können, wird die Dipol-Subtraktions-Methode diesbezüglich erweitert. Die Diskussion der numerischen Ergebnisse umfasst den Einfluss eines realistischen Photon-Spektrums auf die Wirkungsquerschnitte, das Potential eines gamma-gamma-Colliders, Grenzen an anomale Eichboson-Kopplungen zu setzen, sowie verschiedene Verteilungen in der Invarianten Masse, in der Energie und in Winkeln, die für eine Rekonstruktion der Eichbosonen und die Bestimmung der Eigenschaften des Higgs-Bosons genutzt werden können

NLO QCD corrections to top anti-top bottom anti-bottom production at the LHC: 1. quark-antiquark annihilation

The process pp -> top anti-top bottom anti-bottom + X represents a very important background reaction to searches at the LHC, in particular to top anti-top H production where the Higgs boson decays into a bottom anti-bottom pair. A successful analysis of top anti-top H at the LHC requires the knowledge of direct top anti-top bottom anti-bottom production at next-to-leading order in QCD. We take the first step in this direction upon calculating the next-to-leading-order QCD corrections to the subprocess initiated by quark anti-quark annihilation. We devote an appendix to the general issue of rational terms resulting from ultraviolet or infrared (soft or collinear) singularities within dimensional regularization. There we show that, for arbitrary processes, in the Feynman gauge, rational terms of infrared origin cancel in truncated one-loop diagrams and result only from trivial self-energy corrections.Comment: 30 pages, LaTeX, 12 postscript figure

NLO QCD corrections to top anti-top bottom anti-bottom production at the LHC

The next-to-leading order (NLO) QCD corrections to top anti-top bottom anti-bottom (tTbB) production at the LHC reveal that the scale choice adopted in previous lowest-order simulations underestimates the tTbB cross section by a factor two. We discuss a new dynamical scale that stabilizes the perturbative predictions and describe the impact of the corrections on the shape of distributions. We also account for the techniques employed to compute the six-particle one-loop amplitudes with high CPU efficiency.Comment: 6+1 pages, contribution to the proceedings of the 9th International Symposium on Radiative Corrections (RADCOR 2009), October 25-30 2009, Ascona, Switzerlan

Radiative corrections to the semileptonic and hadronic Higgs-boson decays H -> W W/Z Z -> 4 fermions

The radiative corrections of the strong and electroweak interactions are calculated for the Higgs-boson decays H -> WW/ZZ -> 4f with semileptonic or hadronic four-fermion final states in next-to-leading order. This calculation is improved by higher-order corrections originating from heavy-Higgs-boson effects and photonic final-state radiation off charged leptons. The W- and Z-boson resonances are treated within the complex-mass scheme, i.e. without any resonance expansion or on-shell approximation. The calculation essentially follows our previous study of purely leptonic final states. The electroweak corrections are similar for all four-fermion final states; for integrated quantities they amount to some per cent and increase with growing Higgs-boson mass M_H, reaching 7-8% at M_H \sim 500 GeV. For distributions, the corrections are somewhat larger and, in general, distort the shapes. Among the QCD corrections, which include corrections to interference contributions of the Born diagrams, only the corrections to the squared Born diagrams turn out to be relevant. These contributions can be attributed to the gauge-boson decays, i.e. they approximately amount to \alpha_s/\pi for semileptonic final states and 2\alpha_s/\pi for hadronic final states. The discussed corrections have been implemented in the Monte Carlo event generator PROPHECY4F.Comment: 29 pages, LaTeX, 30 postscript figure

Production of ttˉbbˉt \bar{t} b \bar{b} at the LHC at NLO QCD

We summarise predictions for top anti-top bottom anti-bottom (tTbB) production at the LHC in next-to-leading order QCD. The precise description of this background process is a prerequisite to observe associated top anti-top Higgs production in the H -> bottom anti-bottom decay channel. The one-loop amplitudes are computed using Feynman diagrams and numerical tensor reduction. This approach provides very high numerical stability and CPU efficiency. We find that the scale choice adopted in ATLAS simulations underestimates the tTbB background by a factor two and introduce a new dynamical scale that stabilises the perturbative predictions. In the regime of highly boosted Higgs bosons, which offers better perspectives to observe the tTH(H-> bB) signal, the corrections induce significant distortions in the kinematic distributions