Title:
en
Citation:
Frisch, W. (2011). Precise predictions of higgs boson decays including the full one-loop corrections in supersymmetry [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/160141
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Publication Type:
Thesis - Dissertation
en
Hochschulschrift - Dissertation
de
Language:
English
-
Date (published):
2011
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Number of Pages:
145
-
Keywords:
Supersymmetrie/ MSSM/ Einschleifenrechnung/ Higgs Zerfaelle/ Renormierung/ Computergestützte Theoretische Teilchenphysik
de
Supersymmetry/ MSSM/ Loop Calculations/ Higgs decays/ Renormalization/ Computational Particle Physics
en
Abstract:
Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik ist eine höchst erfolgreiche Theorie, welche die elektromagnetische, starke sowie die schwache Wechselwirkung von Materieteilchen bis zu Energieskalen von einigen hundert Giga Elektronvolt beschreibt.
Trotz dieser großen Erfolge besteht kaum Zweifel darüber, dass es sich bei diesem Modell um eine effektive Theorie handelt, d.h. die Theorie verliert bei höheren Energien ihre Aussagekraft.
Daher muss das Standard Modell in geeigneter Art und Weise erweitert werden. Ein äußerst viel versprechendes Konzept für eine solche Erweiterung ist jenes der Supersymmetrie, in dem zu jedem bekannten Teilchen des Standardmodells ein oder mehrere supersymmetrische Partnerteilchen vorausgesagt werden. Die einfachste und attraktivste supersymmetrische Erweiterung des Standardmodells wird als minimal supersymmetrisches Standardmodell (MSSM) bezeichnet. Minimal verweist darauf, dass die Anzahl neuer Wechselwirkungen und Felder so gering wie möglich gehalten wird. Genau genommen besteht das MSSM aus den Feldern des Standardmodells und deren supersymmetrischen Partnern sowie einem zusätzlichen Higgsdublett.
Die Anwesenheit dieses zusätzlichen Higgsdubletts führt zur Existenz von fünf physikalischen Higgsteilchen.
Die Suche nach diesen supersymmetrischen Teilchen sowie Higgsbosonen ist deshalb eines der wichtigsten Ziele des Large Hadron Collinders (LHC) am Teilchenforschungszentrum CERN, bei dem hinreichend hohe Kollisionsenergien für die Erzeugung von diesen neuen Teilchen zur Verfügung stehen, weshalb die Existenz von Supersymmetrie bestätigt werden könnte.
Für die Entdeckung dieser neuen Teilchen sind genaue Vorhersagen ihrer Zerfallsbreiten sowie Verzweigungsverhältnisse unerlässlich. Um der Präzision am LHC und dem zukünftigen ILC gerecht zu werden, müssen Feynman Amplituden zumindest bis auf Einschleifenniveau berechnet werden. Da es bei diesen Rechnungen auf Einschleifenniveau zu sogenannten UV-- und IR-- Divergenzen kommt, wird eine Renormierungsprozedur, in der diese Divergenzen durch eine geeignete Wahl von Countertermen abgezogen werden, unerlässlich.
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines Computerprogramms HFOLD, das alle Zerfallsbreiten sowie Verzweigungsverhältnisse aller MSSM Higgsboson Zweikörperzerfälle auf vollem Einschleifenniveau berechnet. Bisher verfügbare Programme approximieren diese Korrekturen durch den Gebrauch von Renormierungsgruppen-Gleichungen. Aufgrund der Tatsache, dass bei der vollen Einschleifenrechnung dieser Prozesse fast alle Parameter des MSSM renormiert werden müssen, und daher eine Berechnung von einer entsprechend großen Anzahl von Feynmandiagrammen erforderlich ist, gestaltet sich diese Aufgabe als äußerst komplex. Die erforderliche Renormierungsprozedur wurde in übereinstimmung mit der SPA Konvention konsistent im DRbar Schema durchgeführt. Besondere Aufmerksamkeit wurde auf die Unterscheidung zwischen den führenden SUSY-QCD und den elektroschwachen Korrekturen gelegt. Diese wurden im Detail herausgearbeitet und können getrennt ausgegeben werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden dann mittels des Programms HFOLD Higgszerfälle in mehreren sogenannten high scale Szenarien untersucht, in denen die erforderlichen Modellparameter von einem Satz weniger Parameter auf der GUT Skala durch die Verwendung von Renormierungsgruppen-Gleichungen abgeleitet werden (z.B. minimal Supergravity (mSUGRA) oder Non Universal Higgs Mass (NUHM)). Für andere Szenarien dieser Art kann das Programm leicht adaptiert werden.
Dabei stellte sich wie zu erwarten heraus, dass die SUSY-QCD sowie die elektroschwachen Korrekturen für die Higgsbosonzerfälle in Quarks der dritten Generation unerlässlich sind. Sollten die supersymmetrischen Teilchen im Vergleich zu den Higgsbosonen jedoch relativ leicht sein, wie z.B. in NUHM Szenarien, aber auch in Teilen des mSUGRA Parameterraums, können die Zerfallskanäle in Charginos und Neutralinos die größten Verzweigungsverhältnisse aufweisen. Der Unterschied für diese führenden Zerfallsbreiten kann dann zwischen der niedrigsten Ordnung und der entsprechend vollen Einschleifenrechnung mehr als 10 Prozent betragen. Daher können diese Korrekturen für präzise Analysen nicht mehr vernachlässigt werden.
Trotz dieser großen Erfolge besteht kaum Zweifel darüber, dass es sich bei diesem Modell um eine effektive Theorie handelt, d.h. die Theorie verliert bei höheren Energien ihre Aussagekraft.
Daher muss das Standard Modell in geeigneter Art und Weise erweitert werden. Ein äußerst viel versprechendes Konzept für eine solche Erweiterung ist jenes der Supersymmetrie, in dem zu jedem bekannten Teilchen des Standardmodells ein oder mehrere supersymmetrische Partnerteilchen vorausgesagt werden. Die einfachste und attraktivste supersymmetrische Erweiterung des Standardmodells wird als minimal supersymmetrisches Standardmodell (MSSM) bezeichnet. Minimal verweist darauf, dass die Anzahl neuer Wechselwirkungen und Felder so gering wie möglich gehalten wird. Genau genommen besteht das MSSM aus den Feldern des Standardmodells und deren supersymmetrischen Partnern sowie einem zusätzlichen Higgsdublett.
Die Anwesenheit dieses zusätzlichen Higgsdubletts führt zur Existenz von fünf physikalischen Higgsteilchen.
Die Suche nach diesen supersymmetrischen Teilchen sowie Higgsbosonen ist deshalb eines der wichtigsten Ziele des Large Hadron Collinders (LHC) am Teilchenforschungszentrum CERN, bei dem hinreichend hohe Kollisionsenergien für die Erzeugung von diesen neuen Teilchen zur Verfügung stehen, weshalb die Existenz von Supersymmetrie bestätigt werden könnte.
Für die Entdeckung dieser neuen Teilchen sind genaue Vorhersagen ihrer Zerfallsbreiten sowie Verzweigungsverhältnisse unerlässlich. Um der Präzision am LHC und dem zukünftigen ILC gerecht zu werden, müssen Feynman Amplituden zumindest bis auf Einschleifenniveau berechnet werden. Da es bei diesen Rechnungen auf Einschleifenniveau zu sogenannten UV-- und IR-- Divergenzen kommt, wird eine Renormierungsprozedur, in der diese Divergenzen durch eine geeignete Wahl von Countertermen abgezogen werden, unerlässlich.
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines Computerprogramms HFOLD, das alle Zerfallsbreiten sowie Verzweigungsverhältnisse aller MSSM Higgsboson Zweikörperzerfälle auf vollem Einschleifenniveau berechnet. Bisher verfügbare Programme approximieren diese Korrekturen durch den Gebrauch von Renormierungsgruppen-Gleichungen. Aufgrund der Tatsache, dass bei der vollen Einschleifenrechnung dieser Prozesse fast alle Parameter des MSSM renormiert werden müssen, und daher eine Berechnung von einer entsprechend großen Anzahl von Feynmandiagrammen erforderlich ist, gestaltet sich diese Aufgabe als äußerst komplex. Die erforderliche Renormierungsprozedur wurde in übereinstimmung mit der SPA Konvention konsistent im DRbar Schema durchgeführt. Besondere Aufmerksamkeit wurde auf die Unterscheidung zwischen den führenden SUSY-QCD und den elektroschwachen Korrekturen gelegt. Diese wurden im Detail herausgearbeitet und können getrennt ausgegeben werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden dann mittels des Programms HFOLD Higgszerfälle in mehreren sogenannten high scale Szenarien untersucht, in denen die erforderlichen Modellparameter von einem Satz weniger Parameter auf der GUT Skala durch die Verwendung von Renormierungsgruppen-Gleichungen abgeleitet werden (z.B. minimal Supergravity (mSUGRA) oder Non Universal Higgs Mass (NUHM)). Für andere Szenarien dieser Art kann das Programm leicht adaptiert werden.
Dabei stellte sich wie zu erwarten heraus, dass die SUSY-QCD sowie die elektroschwachen Korrekturen für die Higgsbosonzerfälle in Quarks der dritten Generation unerlässlich sind. Sollten die supersymmetrischen Teilchen im Vergleich zu den Higgsbosonen jedoch relativ leicht sein, wie z.B. in NUHM Szenarien, aber auch in Teilen des mSUGRA Parameterraums, können die Zerfallskanäle in Charginos und Neutralinos die größten Verzweigungsverhältnisse aufweisen. Der Unterschied für diese führenden Zerfallsbreiten kann dann zwischen der niedrigsten Ordnung und der entsprechend vollen Einschleifenrechnung mehr als 10 Prozent betragen. Daher können diese Korrekturen für präzise Analysen nicht mehr vernachlässigt werden.
The Standard Model of elementary particle physics is a highly successful theory, describing the electromagnetic, strong and weak interaction of matter particles up to energy scales to a few hundred giga electronvolt. Despite its great success in explaining experimental results correctly, there is hardly no doubt that the SM is an effective theory, which means that the theory loses its predictability at higher energies.
Therefore, the Standard Model has to be extended in a proper way to describe physics at higher energies. A most promising concept for the extension of the SM is those of Supersym- metry, where for each particle of the SM one or more superpartner particles are introduced.
The simplest and most attractive extension of the SM is called Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). Minimal refers to the additional field content, which is kept as low as possible. In fact the MSSM consists of the fields of the SM and their corresponding supersymmetric partner fields, as well as one additional Higgs doublet.
The presence of this additional Higgs doublet leads to the existence of five physical Higgs bosons in the MSSM.
The search for supersymmetric particles and Higgs bosons is one of the primary goals of the Large Hadron Collider (LHC) at the CERN laboratory, producing collisions at sufficiently high energies to detect these particles. For the discovery of these new particles, precise pre- dictions of the corresponding decay widths and branching rations are utmost mandatory. To contribute with the precision of the LHC and the future ILC, Feynman amplitudes should be calculated at least to one-loop order. Since these calculations lead to so called UV- and IR- divergences, it is essential to perform a renormalization procedure, where the divergences are subtracted by a proper definition of counterterms.
The goal of this work was to develop a program package, which calculates all MSSM two- body Higgs decay widths and corresponding branching ratios at full one-loop level. Up to now public available programs approximate these contributions using renormalization group improved born level amplitudes. Due the fact that the full one-loop calculation requires the renormalization of almost all parameters of the MSSM, a large number of Feynman diagrams has to be computed, which makes this task very complex and challenging.
The necessary renormalization procedure was performed consistently in the DRbar scheme fol- lowing the SPA convention. Special attention has been given to the distinction between the leading SUSY-QCD and the full electroweak contributions, which have been worked out in detail and can be output separately.
In this work we then used the program HFOLD to study Higgs decays in some so called high scale scenarios, where the necessary parameters are derived from a few parameters specified at the GUT scale using renormalization group equations (e.g.
scenarios like mini- mal Supergravity (mSUGRA) or Non universal Higgs Mass (NUHM)). The program can be most easily adopted to any other scenario of this kind.
It was found as expected that the SUSY-QCD as well as the electroweak corrections for Higgs decays into third generation quarks are mandatory. If the Higgs bosons are relatively heavy compared to the supersymmetric particles like in NUHM scenarios, but also in parts of the mSUGRA parameter space, the decay channels into charginos and neutralinos can exhibit the largest branching ratios. The difference for these leading decay widths between the born level and the corresponding full one-loop calculation can be more than 10 percent.
Therefore these contributions can not be neglected for precise analysis.
Therefore, the Standard Model has to be extended in a proper way to describe physics at higher energies. A most promising concept for the extension of the SM is those of Supersym- metry, where for each particle of the SM one or more superpartner particles are introduced.
The simplest and most attractive extension of the SM is called Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). Minimal refers to the additional field content, which is kept as low as possible. In fact the MSSM consists of the fields of the SM and their corresponding supersymmetric partner fields, as well as one additional Higgs doublet.
The presence of this additional Higgs doublet leads to the existence of five physical Higgs bosons in the MSSM.
The search for supersymmetric particles and Higgs bosons is one of the primary goals of the Large Hadron Collider (LHC) at the CERN laboratory, producing collisions at sufficiently high energies to detect these particles. For the discovery of these new particles, precise pre- dictions of the corresponding decay widths and branching rations are utmost mandatory. To contribute with the precision of the LHC and the future ILC, Feynman amplitudes should be calculated at least to one-loop order. Since these calculations lead to so called UV- and IR- divergences, it is essential to perform a renormalization procedure, where the divergences are subtracted by a proper definition of counterterms.
The goal of this work was to develop a program package, which calculates all MSSM two- body Higgs decay widths and corresponding branching ratios at full one-loop level. Up to now public available programs approximate these contributions using renormalization group improved born level amplitudes. Due the fact that the full one-loop calculation requires the renormalization of almost all parameters of the MSSM, a large number of Feynman diagrams has to be computed, which makes this task very complex and challenging.
The necessary renormalization procedure was performed consistently in the DRbar scheme fol- lowing the SPA convention. Special attention has been given to the distinction between the leading SUSY-QCD and the full electroweak contributions, which have been worked out in detail and can be output separately.
In this work we then used the program HFOLD to study Higgs decays in some so called high scale scenarios, where the necessary parameters are derived from a few parameters specified at the GUT scale using renormalization group equations (e.g.
scenarios like mini- mal Supergravity (mSUGRA) or Non universal Higgs Mass (NUHM)). The program can be most easily adopted to any other scenario of this kind.
It was found as expected that the SUSY-QCD as well as the electroweak corrections for Higgs decays into third generation quarks are mandatory. If the Higgs bosons are relatively heavy compared to the supersymmetric particles like in NUHM scenarios, but also in parts of the mSUGRA parameter space, the decay channels into charginos and neutralinos can exhibit the largest branching ratios. The difference for these leading decay widths between the born level and the corresponding full one-loop calculation can be more than 10 percent.
Therefore these contributions can not be neglected for precise analysis.
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