Berechnung von Vielteilchenprozessen auf Einschleifenniveau : präzise Vorhersagen für den Large Hadron Collider

The Standard Model (SM) of elementary particle physics provides a uniform framework for the description of three fundamental forces, the electromagnetic and weak forces, describing interactions between quarks and leptons, and the strong force, describing a much stronger interaction between the coloured quarks. Numerous experimental tests have been performed in the last thirty years, showing a spectacular agreement with the theoretical predictions of the Standard Model, even at the per mille level, therefore validating the model at the quantum level. An important cornerstone of the Standard Model is the Higgs mechanism, which provides a possible explanation of electroweak symmetry breaking, responsible for the masses of elementary fermions and the W and Z bosons, the carriers of the weak force. This mechanism predicts a scalar boson, the Higgs boson, which has escaped its discovery so far. If the Higgs mechanism is indeed realised in nature, the upcoming Large Hadron Collider (LHC) at CERN will be able to find the associated Higgs boson. The discovery of a Higgs boson by itself is not sufficient to establish the Higgs mechanism, the basic ingredient being the Higgs potential which predicts trilinear and quartic couplings. These have to be confirmed experimentally by the study of multi-Higgs production. We therefore present a calculation of the loop-induced processes gg to HH and gg to HHH, and investigate the observability of multi-Higgs boson production at the LHC in the Standard Model and beyond. While the SM cross sections are too small to allow observation at the LHC, we demonstrate that physics beyond the SM can lead to amplified, observable cross sections. Furthermore, the applicability of the heavy top quark approximation in two- and three-Higgs boson production is investigated. We conclude that multi-Higgs boson production at the SuperLHC is an interesting probe of Higgs sectors beyond the SM and warrants further study. Despite the great success of the SM, it is widely believed that this model cannot be valid for arbitrarily high energies. The LHC will probe the TeV scale and theoretical arguments indicate the appearance of physics beyond the SM at this scale. The search for new physics requires a precise understanding of the SM. Precise theoretical predictions are needed which match the accuracy of the experiments. For the LHC, most analyses require next-to-leading order (NLO) precision. Only then will we be able to reliably verify or falsify different models. At the LHC, many interesting signatures involve more than two particles in the final state. Precise theoretical predictions for such multi-leg processes are a highly nontrivial task and new efficient methods have to be applied. The calculation of the process PP to VV+jet at NLO is an important background process to Higgs production in association with a jet at the LHC. We compute the virtual corrections to this process which form the "bottleneck" for obtaining a complete NLO prediction. The resulting analytic expressions are generated with highly automated computer routines and translated into a flexible Fortran code, which can be employed in the computation of differential cross sections of phenomenological interest. The obtained results for the virtual corrections indicate that the QCD corrections are sizable and should be taken into account in experimental studies for the LHC.Das Standardmodell der Teilchenphysik bietet einen einheitlichen Rahmen zur Beschreibung dreier fundamentaler Kräfte. Die elektromagnetische und schwache Kraft beschreibt die Wechselwirkung zwischen Quarks und Leptonen, während die weit stärkere starke Kraft nur auf die farbgeladenen Quarks wirkt. Die zahlreichen experimentellen Tests, die in den vergangenen 30 Jahren durchgeführt wurden, sind in spektakulärer Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen des Standardmodells, sogar auf dem pro mille Niveau und bestätigen damit das Modell auf dem Quantenniveau. Ein Grundpfeiler des Standardmodells ist der Higgsmechanismus, der eine mögliche Erklärung für die elektro-schwache Symmetriebrechung liefert, die verantwortlich ist für die beobachteten Massen elementarer Fermionen und der W und Z Bosonen, den Trägern der schwachen Kraft. Dieser Mechanismus sagt ein skalares Boson, das Higgs Boson, voraus, das bisher noch nicht entdeckt wurde. Falls dieser Mechanismus wirklich in der Natur realisiert ist, wird der Large Hadron Collider (LHC) am CERN in der Lage sein, das zugehörige Higgs Boson zu entdecken. Die Entdeckung des Higgs Bosons für sich alleine gestellt reicht nicht aus, um den Higgsmechanismus zu etablieren, dessen zentraler Bestandteil das Higgspotential ist, welches trilineare und quartische Selbstkopplungen vorhersagt. Diese müssen im Experiment durch die Analyse von multipler Higgsproduktion bestätigt werden. Wir präsentieren daher die Berechnung der schleifen-induzierten Prozesse gg nach HH und gg nach HHH und untersuchen die Observierbarkeit von multipler Higgsproduktion am LHC im Rahmen des Standardmodells und darüber hinaus. Da die Standardmodell-Wirkungsquerschnitte zu klein sind, um die Produktion von drei Higgs Bosonen am LHC zu beobachten, zeigen wir, dass Physik jenseits des Standardmodells zu verstärkten und damit beobachtbaren Wirkungsquerschnitten führen kann. Darüber hinaus wird die Anwendbarkeit der Näherung eines schweren top Quarks auf die Produktion von zwei und drei Higgs Bosonen untersucht. Wir kommen zu dem Schluss, dass multiple Higgsproduktion am Super-LHC eine interessante Sonde des Higgs Sektors ist und weitere Untersuchungen rechtfertigt. Trotz des großartigen Erfolgs des Standardmodells wird weithin vermutet, dass dieses Modell seine Gültigkeit nicht bis zu beliebig hohen Energieskalen behält. Theoretische Argumente deuten auf Anzeichen neuer Physik jenseits des Standardmodells auf der TeV Skala hin, die der LHC untersuchen wird. Die Suche nach neuer Physik erfordert ein detailliertes Verständnis des Standardmodells. Präzise theoretische Vorhersagen sind nötig, die der experimentellen Genauigkeit der Experimente entsprechen. Für den LHC sind die meisten Analysen in nächst-führender Ordnung (NLO) erforderlich. Nur dann werden wir verlässlich erweiterte Modelle bestätigen oder falsifizieren können. Am LHC sind viele interessante Signaturen verknüpft mit Endzuständen, die mehr als zwei Teilchen beinhalten. Präzise theoretische Vorhersagen für solche Multiple-Teilchen-Prozesse stellen eine sehr große Herausforderung dar, für die neue und effiziente Methoden verwendet werden müssen. Die Berechnung des Prozesses PP nach VV+jet in nächst-führender Ordnung ist ein wichtiger Hintergrundprozess für die Higgsproduktion in Assoziation mit einem Jet am LHC. Wir berechnen die virtuellen Korrekturen zu diesem Prozess, welche die größte Schwierigkeit darstellt, eine Vorhersage mit NLO Präzision zu erhalten. Die resultierenden analytischen Ausdrücke wurden weitgehend automatisiert erzeugt und in einen flexiblen Fortran Code übersetzt, der für die Berechnung von totalen und differentiellen Wirkungsquerschnitten von phänomenologischem Interesse verwendet werden kann. Die erzielten Ergebnisse für die virtuellen Korrekturen deuten auf große QCD Korrekturen hin, die in experimentellen Studien für den LHC berücksichtigt werden sollten