Preisträger 2022: Dr. Daniel Reichelt
Predictions to all orders in perturbative Quantum Chromodynamics for high energy collider experiments
Gegenstand meiner Doktorarbeit waren präzise Berechnungen für Streuprozesse an Teilchenbeschleunigern, wie sie aktuell dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN untersucht werden. Dabei geht es insbesondere um die Vorhersage der Verteilung von Abstrahlungen von den primär produzierten Teilchen.
Im LHC werden Protonen auf sehr hohe Energien beschleunigt und zur Kollision gebracht. In diesen Kollisionsereignissen werden neue Teilchen produziert und durch experimentelle Apparate detektiert. So wurde zum Beispiel im Jahr 2012 das Higgs Boson, das bisher
letzte experimentell unbekannte Teilchen, nachgewiesen. Aktuell laufen am LHC Suchen nach weiteren neuen Teilchen bei noch größeren Energien. Neben diesen Suchen ist ein wichtiger Teil des Forschungsprogrammes aber auch das Prüfen und genaue Vermessung der
Eigenschaften bereits bekannter Elementarteilchen und der Theorien die ihre Wechselwirkungen beschreiben.
Ein zentraler Bestandteil dieser Theorie ist die sogenannte Quantenchromodynamik (QCD). Sie beschreibt die starke Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen, den kleinsten Materiebausteinen aus denen z.B. Protonen und Neutronen bestehen. In meiner Doktorarbeit habe ich mich mit Berechnungen innerhalb dieser Theorie beschäftigt. Diese Rechnungen haben typischerweise zwei Bestandteile, zum einen den Streuprozess auf dem Level von Quarks und Gluonen und zum anderen den Übergang zu im Detektor sichtbaren Hadronen.
Für den ersten Teil der Rechnung existierten prinzipiell semi-analytische Methoden, welche im Rahmen der Doktorarbeit weitgehend automatisiert und auf neuartige Messtechniken generalisiert wurden. Damit sind nunmehr Anwendungen auf deutlich komplexere Streuprozesse und neue Observablen möglich. Ein Anwendungsfall ist das sogenannte Soft Drop Grooming, bei welchem theoretisch weniger gut verstandene Beiträge zum QCD Strahlungsmuster vermieden werden. Im Rahmen der Doktorarbeit haben wir untersucht wie Soft Drop Grooming dabei helfen kann, den Kopplungsparameter der starken Wechselwirkung experimentell genauer zu bestimmen.
Der Übergang von Quarks und Gluonen in experimentell beobachtbare Hadronen kann bisher nur durch phänomenologische Modelle und entsprechende Simulationen beschrieben werden. Im Rahmen der Arbeit wurden die Methoden zur Quantifizierung und Übertragung der resultierenden Korrekturen für analytische Vorhersagen von Beobachtungsgrößen maßgeblich verbessert. Hierfür wurde ein Ansatz basieren auf hochdimensionalen Transfermatrizen entwickelt, welcher systematisch Korrekturen kinematischer Variablen im Phasenraum berücksichtigt. Basierend auf der Kombination hochpräziser störungstheoretischer Vorhersagen mit hadronischen Korrekturen konnten neuartige Ergebnisse erzielt werden, welche erfolgreich mit neuesten Messungen des CMS Experiments am LHC verglichen wurden.
Im LHC werden Protonen auf sehr hohe Energien beschleunigt und zur Kollision gebracht. In diesen Kollisionsereignissen werden neue Teilchen produziert und durch experimentelle Apparate detektiert. So wurde zum Beispiel im Jahr 2012 das Higgs Boson, das bisher
letzte experimentell unbekannte Teilchen, nachgewiesen. Aktuell laufen am LHC Suchen nach weiteren neuen Teilchen bei noch größeren Energien. Neben diesen Suchen ist ein wichtiger Teil des Forschungsprogrammes aber auch das Prüfen und genaue Vermessung der
Eigenschaften bereits bekannter Elementarteilchen und der Theorien die ihre Wechselwirkungen beschreiben.
Ein zentraler Bestandteil dieser Theorie ist die sogenannte Quantenchromodynamik (QCD). Sie beschreibt die starke Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen, den kleinsten Materiebausteinen aus denen z.B. Protonen und Neutronen bestehen. In meiner Doktorarbeit habe ich mich mit Berechnungen innerhalb dieser Theorie beschäftigt. Diese Rechnungen haben typischerweise zwei Bestandteile, zum einen den Streuprozess auf dem Level von Quarks und Gluonen und zum anderen den Übergang zu im Detektor sichtbaren Hadronen.
Für den ersten Teil der Rechnung existierten prinzipiell semi-analytische Methoden, welche im Rahmen der Doktorarbeit weitgehend automatisiert und auf neuartige Messtechniken generalisiert wurden. Damit sind nunmehr Anwendungen auf deutlich komplexere Streuprozesse und neue Observablen möglich. Ein Anwendungsfall ist das sogenannte Soft Drop Grooming, bei welchem theoretisch weniger gut verstandene Beiträge zum QCD Strahlungsmuster vermieden werden. Im Rahmen der Doktorarbeit haben wir untersucht wie Soft Drop Grooming dabei helfen kann, den Kopplungsparameter der starken Wechselwirkung experimentell genauer zu bestimmen.
Der Übergang von Quarks und Gluonen in experimentell beobachtbare Hadronen kann bisher nur durch phänomenologische Modelle und entsprechende Simulationen beschrieben werden. Im Rahmen der Arbeit wurden die Methoden zur Quantifizierung und Übertragung der resultierenden Korrekturen für analytische Vorhersagen von Beobachtungsgrößen maßgeblich verbessert. Hierfür wurde ein Ansatz basieren auf hochdimensionalen Transfermatrizen entwickelt, welcher systematisch Korrekturen kinematischer Variablen im Phasenraum berücksichtigt. Basierend auf der Kombination hochpräziser störungstheoretischer Vorhersagen mit hadronischen Korrekturen konnten neuartige Ergebnisse erzielt werden, welche erfolgreich mit neuesten Messungen des CMS Experiments am LHC verglichen wurden.