Kurzfassung
In der Teilchenphysik wird derzeit über das nächste große Elektron-Positron-Collider-Experiment diskutiert. Dabei steht die Higgs-Produktionsschwelle bei 250 GeV im Mittelpunkt. Es gibt mehrere Vorhläge für eine solche Anlage. Diese Vorschläge unterscheiden sich in Design der Maschine und des Detektors, sowie in den Energiestufen und Luminositäten. Das Streben nach einer Maschine mit der bestmöglichen Genauigkeit erfordert sowohl eine Optimierung der einzelnen Vorschläge als auch eine sorgfältige Untersuchung der Unterschiede zwischen ihnen. Die Optimierung der einzelnen Maschinen erfordert spezielle Studien auf der Grundlage detaillierter Simulationen der Experimente. Solche Studien können die kritischsten Aspekte bei der Genauigkeit aufzeigen, wie z.B. bestimmte Schritte bei der Rekonstruktion von Kollisionsereignissen. Um die Unterschiede zwischen den Vorschlägen zu verstehen, ist ein allgemeiner Ansatz aufschlussreich. Wenn man einige Details vernachlässigt und sich auf spezifische Unterschiede konzentriert, werden die Kompromisse bei der Wahl eines bestimmten Kolliders deutlicher. Dies ist besonders für die 250 GeV-Energiestufe relevant, die den meisten Vorschlägen gemein ist und im Mittelpunkt des Physikprogramms steht. Diese Doktorarbeit umfasst zwei Studien, die den beiden oben genannten Aufgaben entsprechen. Die erste ist eine Studie mit vollständiger Detektorsimulation für Vektorbosonenstreuung (VBS) im hadronischen Endzustand bei 1 TeV des International Linear Collider. Diese Studie konzentriert sich auf die verschiedenen Rekonstruktionsaspekte in hadronischen Endzuständen, die die höchsten Wirkungsquerschnitte aller W/Z-Zerfallsarten aufweisen. In einer zweiten, umfassenderen Studie werden elektroschwache Fits an einem generischen 250 GeV e+e− Collider mit unterschiedlichen Strahlpolarisationen und Luminositätsszenarien durchgeführt. Der Kompromiss zwischen Luminosität und Verfügbarkeit der Strahlpolarisation ist einer der Hauptunterschiede zwischen den vorgeschlagenen Collidern. In dieser Studie wird untersucht, wie sich diese Entscheidungen auf die Präzision der physikalischen und systematischen Parameter - einschließlich der Polarisationen selbst - und die Korrelationen zwischen physikalischen Parametern und systematischen Effekten auswirken. Darüber hinaus wird eine Detektorsystematik direkt einbezogen, um festzustellen, ob die Strahlpolarisation zu einer geringeren Auswirkung von chiralitätsunabhängigen systematischen Effekten führt. Der Hauptteil dieser Arbeit gibt einen Überblick über die aktuelle Theorie und eine Einführung in zukünftige Collider, und beschreibt beide Studien in allen Einzelheiten, einschließlich der Datensätze, Methoden und Ergebnisse. Die VBS-Studie zeigt, dass das Clustern von hadronischen Endzuständen, das Entfernen von Hintergrundteilchen in Vorwärtsjets und semi-leptonische Zerfälle in Jets die Auflösung erheblich verschlechtern. Die High-Level Rekonstruktion bleibt ein begrenzender Faktor der elektroschwachen Präzision, und zukünftige Studien können sich mit der Verbesserung der oben genannten Rekonstruktionsaspekte befassen, um die Präzision bei hadronischen Ereignissen zu verbessern. Die Untersuchung der elektroschwachen Fits zeigt, dass die Strahlpolarisation Zugang zu chiralen Observablen bietet, was eine annahmefreie Messung von Parametern der Fermionenpaarproduktion ermöglicht und die Messung von Dreifach-Eichkopplungen deutlich empfindlicher macht. In diesem Zusammenhang können höhere Luminositäten das Fehlen der Strahlpolarisation nur dann ausgleichen, wenn eine Reihe strenger Annahmen getroffen wird. Die Messung der Strahlpolarisation parallel zu elektroschwachen Parametern mit nur einem polarisierten Strahl führt zu starken Korrelationen der Polarisationen mit physikalischen Parametern, die verschwinden, wenn beide Strahlen polarisiert sind. Die explizit berücksichtigte Detektorsystematik wirkt sich nicht auf chirale Messgrößen aus, und die Fits können die genaue Form des systematischen Effekts mit hoher Genauigkeit bestimmen. Diese Ergebnisse zeigen, dass eine sorgfältige Untersuchung des Einflusses der Strahlpolarisation notwendig ist, um die qualitativen und quantitativen Auswirkungen auf die erreichbare Genauigkeit zu verstehen. Insbesondere die Auswirkungen auf die systematischen Unsicherheiten müssen weiter untersucht werden. In der Diskussion zwischen verschiedenen Collider-Vorschlägen wird die Strahlpolarisation eine Schlüsselrolle spielen und die Zukunft der elektroschwachen Präzisionsmessungen bestimmen.
The particle physics community is currently discussing the next large-scale electron-positron collider experiment, with a major interest in the Higgs production threshold around 250 GeV. Multiple proposals have emerged for such a machine, differing in machine and detector designs, as well as energy stages and luminosities. Striving for a machine with the best possible precisions requires both an optimization of each proposal as well a careful examination of the differences between them. The optimization of the individual proposals needs dedicated studies based on detailed simulation of the experiment. Such studies can point out the most critical aspects in the precision, such as e.g. specific steps in the event reconstruction. For understanding the differences between the proposals, a generic approach can be insightful. By neglecting some details and focusing on specific differences, the trade-offs of a choice of one specific collider become clearer. This is especially relevant for the 250 GeV energy stage, which is common to most proposals and central to the physics program. This work contains two studies, corresponding to the two tasks above. The first is a full-simulation study of vector boson scattering (VBS) in the hadronic final state at the 1 TeV stage of the International Linear Collider. This study focuses on the different reconstruction aspects in hadronic final states, which have the highest cross-sections of all W/Z decay modes. A second, more extensive study performs electroweak fits using a generic 250 GeV e+ e− collider with varying beam polarisation and luminosity scenarios. The trade-off between luminosity and availability of beam polarisation is one of the key differences between the proposed colliders. This study investigates how these choices impact the precision on physical and systematic parameters - including the polarisations themselves - and the correlations between physical parameters and systematic effects. It further directly includes a detector systematic to see whether beam polarisation leads to a smaller impact of chirality-independent systematic effects. The body of this thesis gives an overview of the current theory and future collider landscapes, and describes both studies in full detail, including the datasets, methods, and findings. The VBS study finds that the clustering of hadronic final states, the removal of background particles in forward jets, and semi-leptonic decays within jets all significantly degrade the resolution. High level reconstruction remains a limiting factor of electroweak precision, and future studies can look into improving the above named reconstruction aspects to improve the precision in hadronic events. The study of electroweak fits finds that beam polarisation gives access to chiral observables, which allows assumption-free measurement of fermion pair production parameters, and adds significant sensitivity to the measurement of triple gauge couplings. In this context, higher luminosities can only make up for a lack of beam polarisation when introducing a strong set of assumptions. The measurement of beam polarisation in parallel to electroweak parameters with only one polarised beam leads to strong correlations of polarisations with physical parameters, which disappear when both beams are polarised. Finally, the explicitly included detector systematic does not affect any chiral observables, and the fit can extract the exact shape of the systematic effect with high precision. These results show that a careful examination of the impact of beam polarisation is necessary in order to understand the qualitative and quantitative impacts on the achievable precision. Especially the impact on systematic uncertainties will require further studies. For the discussion among different collider proposals, beam polarisation will play a key role and will shape the future of electroweak precision measurements.