Resummation for supersymmetric particle production at hadron colliders [Elektronische Ressource] / Silja Christine Brensing

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 4
• Langue: English
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Extrait

Resummation for
supersymmetric particle production
at hadron colliders
Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften
der RWTH Aachen University zur Erlangung
des akademischen Grades einer Doktorin der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Physikerin Silja Christine Brensing
aus
Hagen
Berichter: Universitätsprofessor Dr. Michael Krämer
Univ Dr. Eric Laenen
Tag der mündlichen Prüfung: 10.05.2011
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.Abstract
Thesearchforsupersymmetryisamongthemostimportanttasksatcurrentandfuturecolliders.
Especiallytheproductionofcolouredsupersymmetricparticleswouldoccurcopiouslyinhadronic
collisions. Since these production processes are of high relevance for experimental searches ac-
curate theoretical predictions are needed. Higher-order corrections in quantum chromodynamics
(QCD) to these processes are dominated by large logarithmic terms due to the emission of soft
gluons from initial-state and final-state particles. A systematic treatment of these logarithms to
all orders in perturbation theory is provided by resummation methods. We perform the resum-
mation of soft gluons at next-to-leading-logarithmic (NLL) accuracy for all possible production
processes in the framework of the Minimal Supersymmetric Standard Model. In particular we
consider pair production processes of mass-degenerate light-flavour squarks and gluinos as well
as the pair pro of top squarks and non-mass-degenerate bottom squarks. We present
analytical results for all considered processes including the soft anomalous dimensions. More-
over numerical predictions for total cross sections and transverse-momentum distributions for
both the Large Hadron Collider (LHC) and the Tevatron are presented. We provide an estimate
of the theoretical uncertainty due to scale variation and the parton distribution functions. The
inclusion of NLL corrections leads to a considerable reduction of the theoretical uncertainty due
to scale variation and to an enhancement of the next-to-leading order (NLO) cross section pre-
dictions. The size of the soft-gluon corrections and the reduction in the scale uncertainty are
most significant for processes involving gluino production. At the LHC, where the sensitivity
to squark and gluino masses ranges up to 3 TeV, the corrections due to NLL resummation over
and above the NLO predictions can be as high as 35 % in the case of gluino-pair production,
whereas at the Tevatron, the NLL corrections are close to 40 % for squark-gluino final states
with supersymmetric particle masses around 500 GeV.Zusammenfassung
Die Suche nach Supersymmetrie ist eine der wichtigsten Aufgaben an heutigen und zukünftigen
Teilchenbeschleunigern. Besonders die Produktion farbgeladener supersymmetrischer Teilchen
würde zahlreich in hadronischen Kollisionen stattfinden. Da diese Produktionsprozesse für die
experimentelleSuchevonhoherRelevanzsind,werdenpräzisetheoretischeVorhersagenbenötigt.
Korrekturen höherer Ordnung in der Quantenchromodynamik (QCD) zu diesen Prozessen sind
aufgrund der Abstrahlung weicher Gluonen von Teilchen aus dem Anfangs- und Endzustand von
großenlogarithmischenTermendominert.EinesystematischeBehandlungdieserLogarithmenzu
allenOrdnungeninderStörungstheorieistmitHilfevonResummationsmethodenmöglich.Indie-
ser Arbeit wird die Resummation weicher Gluonen in nächstführender logarithmischer Ordnung
(NLL) für alle Produktionsprozesse farbgeladener supersymmetrischer Teilchen im Rahmen des
Minimalen Supersymmetrischen Standardmodells durchgeführt. Die betrachteten Prozesse sind
dieProduktionmassendegenerierterleicht-flavourSquarksundGluinossowiediePaarproduktion
von Top- und nicht-massendegenerierten Bottom-Squarks. Es werden analytische Ergebnisse für
alle betrachteten Prozesse präsentiert, welche insbesondere die weichen anomalen Dimensionen
beinhalten. Desweiteren werden numerische Vorhersagen für totale Wirkungsquerschnitte und
Transversalimpulsverteilungen für den Large Hadron Collider (LHC) und das Tevatron gezeigt
unddiskutiert.DarüberhinauserfolgteineAbschätzungdertheoretischenUnsicherheitbezüglich
Skalenvariation und Partonverteilungen. Die Einbeziehung der NLL-Korrekturen führt zu einer
deutlichenReduktiondertheoretischenUnsicherheitbezüglichSkalenvariationundzueinemAn-
stieg der Wirkungsquerschnitte im Vergleich zur Rechnung in nächstführender Ordnung (NLO).
Die Größe der weichen Gluonkorrekturen und die Reduktion in der Skalenunsicherheit sind be-
sonders signifikant für Prozesse, die die Produktion von Gluinos beinhalten. Beim LHC, dessen
Sensitivität bis zu einem Massenbereich der Squarks und Gluinos von 3 TeV reicht, führt die
Einbeziehung der NLL-Korrekturen in die Vorhersagen für die Wirkungsquerschnitte zu einem
Anstiegvonbiszu35%fürdieProduktionvonGluino-PaarenimVergleichzurNLO-Vorhersage.
Für das Tevatron liegen die NLL-Korrekturen nahe 40 % für Squark-Gluino Endzustände bei ei-
ner Masse der supersymmetrischen Teilchen von 500 GeV.Contents
1 Introduction 1
2 Supersymmetry 5
2.1 Basic ideas and motivation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 The Minimal Supersymmetric Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3 Production of coloured supersymmetric particles at hadron colliders 11
3.1 Experimental searches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.1 Searches for squarks and gluinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.2 Searches for top and bottom squarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2 Theoretical status. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2.1 Squark and gluino pair production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2.2 Stop and sbottom production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4 Soft-gluon resummation 19
4.1 Factorised cross sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.2 Factorisation and resummation for the Drell-Yan process . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2.1 Near-threshold factorisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2.2 From factorisation to resummation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.3 Factorisation and resummation for coloured heavy (s)particles . . . . . . . . . . . 35
4.3.1 Near-threshold factorisation for coloured heavy . . . . . . . . 37
4.3.2 From factorisation to resummation in QCD hard scattering . . . . . . . . 40
4.3.3 The resummed cross section up to NLL accuracy . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3.4 Matching with NLO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3.5 Threshold resummation for the transverse-momentum distribution . . . . 47
5 Soft-gluon resummation for squark and gluino hadroproduction 49
5.1 Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2 Colour bases in the s-channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.3 Colour-decomposed leading-order partonic cross sections . . . . . . . . . . . . . . 54
5.3.1 Colour-decomposedleading-orderpartoniccrosssectionsinmomentumspace 54
5.3.2osed cross in Mellin space . 60
5.4 Soft anomalous dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.4.1 Results for the soft anomalous dimension matrices at one-loop . . . . . . . 72
iii CONTENTS
5.4.2 The threshold limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.4.3 Calculation of one-loop eikonal integrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.5 Soft radiative factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.6 Next-to-leading order expansion of the resummed cross section . . . . . . . . . . 86
5.7 Numerical implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.7.1 Numerical implementation of the resummed cross section . . . . . . . . . 93
5.7.2 Parton density functions in Mellin space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.8 Numerical results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6 Soft-gluon resummation for top and bottom squark hadroproduction 121
6.1 Stop and sbottom pair production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.1.1 Threshold resummation for the total inclusive cross section . . . . . . . . 124
6.1.2 for the transverse-momentum distribution . . . . 126
6.2 Numerical results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.2.1 Results for the total cross section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.2.2 for the transverse-momentum distribution. . . . . . . . . . . . . . 139
6.2.3 SUSY parameter dependence of stop and sbottom cross sections. . . . . . 142
7 Conclusions 147
A Eikonal Feynman rules 149
B Mellin transforms 151
C Relative contributions of different initial states to the total cross section 152
C.1 Squark and gluino pair production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
C.2 Stop-pair production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Bibliography 159
Acknowledgement 167
Curriculum Vitae