Kurzfassung
Die dritte Datennahme des Large Hadron Colliders (LHC) hat kürzlich begonnen und eine neue Ära des Datenreichtums eingeläutet. Zur selben Zeit schreitet die Entwicklung und Planung möglicher nachfolgender Hadronen- und Leptonenbeschleuniger voran. Um den maximalen Nutzen aus den gewonnenen Daten zu ziehen, ist es unverzichtbar, die Genauigkeit theoretischer Rechnungen in gleicher Weise zu erhöhen. Theoretische Rechnungen in der Hochenergiephysik basieren in der Regel auf Störungstheorie. Die Genauigkeit solcher Rechnungen zu erhöhen, bedeutet weitere Terme mit höheren Potenzen der Entwicklungsparameter, der Kopplungskonstanten, zu berücksichtigen.
Technisch realisiert sind diese Rechnungen in Monte-Carlo-Ereignisgeneratoren (MC-Generatoren). Diese Programme verwenden numerische Methoden, basierend auf Zufallszahlen, um Wirkungsquerschnitte zu berechnen und Ereignisse zu simulieren. WHIZARD ist einer der etablierten Mehrzweck-MC-Generatoren, der in der Lage ist, Ereignisse in Experimenten sowohl an Hadronen- als auch an Leptonenbeschleunigern zu simulieren.
Im Laufe der vorliegenden Arbeit haben wir die automatisierte Berücksichtigung von Termen zugehörig zur nächstführenden Ordnung in der starken Kopplungskonstanten, basierend auf dem Frixione–Kunszt–Signer-Subtraktionsschema, im MC-Generator WHIZARD komplettiert. Dies beinhaltet die Erweiterung der zuvor vorhandenen Implementation auf Endzustände mit mehr als zwei Jets sowie Hadronkollisionen mit Abstrahlungen aus dem Anfangszustand, die Möglichkeit Events zu generieren, die ebenfalls Terme der nächstführenden Ordnung berücksichtigen und eine ausführliche Validierung der Implementation durch den Vergleich von Wirkungsquerschnitten einer großen Bandbreite an Prozessen mit anderen MC-Generatoren.
Darüber hinaus haben wir das POWHEG-Matching-Schema prozessunabhängig implementiert. Es kann genutzt werden, um die generierten partonischen Events mit einem Partonshower zu verknüpfen, ohne dabei Abstrahlungen der Korrekturen höherer Ordnung und generiert vom Partonshower doppelt zu zählen.
Beispielhaft wenden wir das POWHEG-Matching auf den Drell-Yan-Prozess am LHC an und vergleichen unsere Vorhersagen mit vom CMS-Experiment gemessenen Daten. Dies stellt die erste Anwendung von NLO-Korrekturen in WHIZARD in Verbindung mit einem Partonshower sowie den ersten Vergleich von mit WHIZARD berechneten Vorhersagen, die Korrekturen der nächstführenden Ordnung berücksichtigen, mit gemessenen Daten dar. Um die Prozessunabhängigkeit unserer Implementierung zu unterstreichen, betrachten wir außerdem die Produktion eines Top-Quark-Paares begleitet von einem Jet an einem zukünftigen Leptonenbeschleuniger.
Run 3 of the Large Hadron Collider (LHC) has recently begun and heralds an era of unprecedented experimental precision. At the same time, several potential successors, future hadron- but also lepton colliders, advance in design and scheduling. To maximize the gain from the expected huge increase in experimental precision, increased precision of theory predictions is indispensable. Most theory predictions performed in high-energy physics rely on perturbation theory, in which phenomena are described in a perturbative series. Increasing the precision in this context requires taking more terms up to higher orders in the expansion parameters, i.e., the coupling constants, into account. Technically, these calculations are implemented in software frameworks called Monte Carlo (MC) event generators. These are tools using numerical methods based on sampling random numbers to compute total cross sections and simulate events. WHIZARD is one of the well-established general-purpose MC generators able to simulate events for experiments at hadron- as well as lepton colliders. In the course of this thesis, we completed the automated computation of terms at next-to-leading order (NLO) in the strong coupling constant of quantum chromodynamics (QCD), using the Frixione–Kunszt–Signer (FKS) subtraction scheme in WHIZARD. This includes the extension of the previously existing implementation towards multi-jet final states and hadron collisions featuring emissions from the initial state, generalizing the possibility to simulate events at fixed NLO, and a thorough validation of the implemented NLO QCD corrections by comparison of cross sections computed for a large number of different processes with other MC generators. Furthermore, we implemented a process-independent version of the POWHEG-matching scheme, which can be used to match partonic events, generated by taking NLO QCD corrections into account, with parton showers, while avoiding to double count any emissions. We apply this matching exemplary to the standard candle of the LHC, the Drell-Yan process and compare our results with data taken at the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment and to top-pair production in association with a jet at a future lepton collider. The former is the first example of matching NLO QCD corrections in WHIZARD to a parton shower as well as the first comparison of differential NLO distributions from WHIZARD with experimental data.