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    Tesis

    “Precisión en producción de Higgs en el LHC”

    2020



    TesistaIgnacio FABRE
    Magister en Ciencias Físicas, Univ. Nac. Cuyo, Inst. Balseiro
    Doctor en Ciencia y Tecnología, Mención Física, Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina

    DirectoresDr. Daniel de Florian, UNSAM, CONICET, UBA - Argentina
    Dr. Massimiliano Grazzini, Universidad de Zúrich - Suiza
    Lugar de realización

    ICAS (International Center for Advanced Studies) de la Universidad Nacional de San Martín.

    Fecha Defensa28/08/2020
    JuradoDr. Leandro DA ROLD. CONICET,  CNEA, UNCu - Argentina
    Prof Dr. Rodolfo SASSOT. CONICET, UBA - Argentina.
    Prof. Dr. Thomas GEHRMANN. UZH - Suiza.
    Prof. Dr. Stefano POZZORINI. UZH - Suiza.
    Dr. Ezequiel ALVAREZ. CONICET, UNSAM -Argentina.
    CódigoITS/TD-139/20,

    Título completo

    “Precisión en producción de Higgs en el LHC”

    Resumen

    A diez años del encendido del LHC, los resultados obtenidos por las colaboraciones de  ATLAS y CMS no han mostrado evidencia de física más allá del modelo estándar. A medida que los esfuerzos para encontrar física nueva migran de las búsquedas resonantes hacia los experimentos de precisión, se hacen necesarias predicciones teóricas de mayor precisión. Un interés particular yace en los auto-acoplamientos del bosón de Higgs, ya que estos están directamente ligados al potencial escalar que conduce la ruptura espontánea de simetría electrodébil. En este contexto, el quark top juega un rol importante al ser la partícula fundamental más pesada conocida y aquella con el mayor acoplamiento al bosón de Higgs. El valor del acoplamiento Yukawa del top determina la evolución del auto-acoplamiento del bosón de Higgs y tiene un gran impacto en la sección eficaz de producción de Higgs en colisionadores hadrónicos, donde el principal canal de producción es la fusión de gluones mediada por un quark top virtual. La forma más directa de acceder al auto-acoplamiento del bosón de Higgs es mediante su producción múltiple. En la primera parte de esta tesis, calcularemos las correcciones de QCD a segundo orden en la constante de acoplamiento fuerte (NNLO) para la producción múltiple de Higgs en la aproximación de top pesado. En el caso de producción de pares de Higgs, extenderemos los resultados ya conocidos al tener en cuenta efectos de nueva física, los cuales son parametrizados por operadores de dimensión seis en el contexto de la teoría efectiva del modelo estándar. Esta es una forma consistente de parametrizar nueva física pesada, siendo a la vez agnóstico a la teoría ultravioleta que la describe. En el caso de producción triple de bosones de Higgs, calcularemos las correcciones de QCD a NNLO para el proceso en el límite de top pesado del modelo estándar, y la combinaremos con la mejor aproximación disponible para los efectos de masa finita del top, obteniendo así nuestra mejor predicción para su sección eficaz. A diferencia de otras partículas, el decaimiento del bosón de Higgs a pares de tops está cinemáticamente prohibido. Sin embargo, es posible observar directamente el acoplamiento de Yukawa del quark top en la producción asociada de un par de ellos con un bosón de Higgs. En un contexto en que la precisión experimental se acerca a la incerteza teórica actual, necesitamos un formalismo para calcular las correcciones de QCD a NNLO para este proceso. En la segunda parte de esta tesis extenderemos el formalismo de substracción qT, que ha sido implementado para estados finales sin color y para producción de t ̄t, al proceso de producción de t ̄th. Presentaremos una implementación completa para la sección eficaz a NLO, así como los contratérminos necesarios para cancelar las divergencias infrarrojas a NNLO. Estos resultados abren paso al cálculo completo de correcciones de QCD a NNLO para la producción de t ̄th en colisionadores hadrónicos.

    Complete Title

    “Precision in Higgs production at the LHC”

    Abstract

    About ten years after the start of the LHC the results obtained by the ATLAS and CMS collaborations have not shown evidence of physics beyond the Standard Model (BSM). As the experimental efforts to find BSM physics move from resonant searches to precision measurements, accurate theory predictions are needed. Particular interest lies in the Higgs boson self couplings, as they are directly connected to the scalar potential that drives ElectroWeak Symmetry Breaking. An important role in this context is played by the top quark, which is the heaviest known fundamental particle and the one with the largest coupling with the Higgs boson. The value of the top Yukawa coupling drives the evolution of the Higgs boson self coupling, and has a great impact in the Higgs boson production cross section at hadronic colliders, where the main production channel is gluon fusion mediated by a top-quark loop. The most direct way to access the Higgs boson self couplings is through multiple Higgs boson production. In the first part of this thesis, we will compute the Next-to-Next-to-Leading Order QCD corrections to its production cross section in the heavy-top approximation. In the case of double Higgs production, we will extend the known NNLO results to the SM cross section to include new physics effects, which are parametrised by six-dimensional operators in the context of the standard model effective field theory. This  is a way to consistently parametrise heavy new physics, while being agnostic to the UV complete theory that underlies it. In the case of triple Higgs production, we will compute the NNLO QCD corrections to the SM process in the heavy-top limit, and combine it with the current best approximation to the top-quark mass effects, thus obtaining our best prediction for its cross section. Unlike other quarks, the decay of a Higgs boson into a pair of top-quarks is kinematically forbidden, but a direct observation of the top-quark Yukawa coupling is possible in the associated production of a top quark pair and a Higgs boson. In a context in which the experimental accuracy is getting closer to the current theory uncertainty, we need a framework to compute the NNLO QCD corrections to this process. In the second part of this thesis we will extend the qT-subtraction framework, which currently has been implemented for colourless and t ̄t final states, to the t ̄th process. We will present a full implementation for the NLO cross section and for the NNLO counter-terms, needed to regulate the divergences appearing in the real emission cross sections. These results pave the way to the full computation of NNLO QCD corrections to t ̄th hadroproduction. 


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