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Submitted on 29 Sep 2004
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Chromodynamique Quantique aux collisionneurs hadroniques : Vers une automatisation du calcul des
processus multi-particules à l’ordre d’une boucle.
Application à la production de deux photons et d’un jet
Farvah Mahmoudi
To cite this version:
Farvah Mahmoudi. Chromodynamique Quantique aux collisionneurs hadroniques : Vers une automa-
tisation du calcul des processus multi-particules à l’ordre d’une boucle. Application à la production de
deux photons et d’un jet. Physique des Hautes Energies - Expérience [hep-ex]. Université de Savoie,
2004. Français. �tel-00006725v2�
LAPTH-thèse-1058
Ecole Doctorale de l’Université de Savoie
Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de Physique Théorique Thèse de Doctorat en Physique Théorique
Spécialité : Physique des Particules
par
Farvah MAHMOUDI
Chromodynamique Quantique aux collisionneurs hadroniques : Vers une automatisation du calcul
d es processus multi-particules à l’ordre d’une boucle . Application à la production de deux photons et d' un jet .
Soutenue le 29 juin 2004 Au LAPTH
Devant la commission d’examen composée de : Dr. Patrick Aurenche Examinateur Dr. Thomas Binoth Rapporteur Dr. Vittorio Del Duca Examinateur Dr. Michel Fontannaz Rapporteur
Dr. Jean-Philippe Guillet Directeur de thèse Prof. Pierre Salati Président
Résumé
Le futur collisionneur du CERN (le LHC) possède un fantastique potentiel de découverte à condition d'avoir une prédiction quantitative de la QCD. Pour ce faire, il est nécessaire d'effectuer des calculs dans l'approximation NLO de manière à réduire la dépendance de la section efficace en fonction des échelles non physiques. Pour obtenir des résultats dans cette approximation, il faut calculer les sections efficaces des sous-processus partoniques contribuant à la réaction étudiée à l'ordre le plus bas ainsi que les corrections virtuelles (une boucle) et réelles. Le calcul des corrections virtuelles reste très compliqué si le nombre de particules externes est supérieur à quatre ou si les particules externes (internes) sont massives.
Dans cette thèse est proposée une méthode automatique pour effectuer les calculs à une boucle et à cinq pattes, et qui peut être généralisée aux cas de particules massives.
Dans une première partie, nous décrirons divers outils et méthodes nécessaires à de tels calculs.
Nous les appliquerons ensuite au calcul de la réaction gg → γγ g, qui intéresse les expérimentateurs des expériences ATLAS et CMS comme bruit de fond à la recherche du Higgs, notamment pour décrire correctement la queue de la distribution transverse du boson de Higgs. Sera alors présenté le résultat explicite de cette amplitude pour chaque configuration d'hélicités sous une forme compacte et une représentation clairement invariante de jauge. Nous terminerons par une étude phénoménologique de cette réaction.
Mots-clé : Chromodynamique Quantique, QCD perturbative, corrections radiatives, calcul automatique, NLO, boson de Higgs, collisionneurs hadroniques, LHC, amplitude d’hélicité.
Abstract
The future CERN collider (LHC) has a fantastic potential of discovery, provided QCD can be quantitatively predicted. To do so, it is necessary to work at NLO approximation in order to reduce the dependence of the cross-section on the non-physical scales. To obtain results in this approximation, one has to calculate the cross-sections of the partonic subprocesses contributing to the studied reaction at the lowest order, and also the virtual corrections (loop corrections) and the real corrections. The calculation of the virtual corrections remains very complicated if the number of external particles is greater than four or if the external (internal) particles are massive.
In this thesis, an automatic method which enables to calculate one loop diagrams with five external legs and which can be generalized to the case of massive particles is presented.
In a first part, we describe different tools and methods necessary to such calculations. We then apply them to the calculation of the gg → γγ g reaction, which interests the ATLAS and CMS experimentalists as the background for the Higgs boson search. We also give the explicit result for this amplitude for each helicity configuration in a compact form and a clearly gauge invariant representation. We finally present a phenomenological study of this reaction.
Keywords: Quantum Chromodynamics, perturbative QCD, radiative corrections, automatic calculation, NLO, Higgs boson, hadronic colliders, LHC, helicity-amplitude.
Farvah MAHMOUDI Thèse de Doctorat – LAPTH 2004
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