Das Top-Quark ist das schwerste bekannte Elementarteilchen. Im Standardmodell (SM) der Elementarteilchenphysik ist die Erzeugung in Paaren durch die starke Wechselwirkung der dominante Beitrag zu seiner Produktion. Top-Quarks können durch die schwache Wechselwirkung ebenfalls einzeln produziert werden. Die Einzelproduktion ist trotz ihres schwierigen experimentellen Nachweises wegen ihrer Komplementarität zur Paarproduktion interessant. So sind einzeln produzierte Top-Quarks stark polarisiert. Diese Polarisation führt wegen des Zerfalls von Top-Quarks vor ihrer Hadronisierung zu experimentell zugänglichen Auswirkungen auf die Zerfallsprodukte. Weiterhin erlaubt die Beteiligung von Bottom-Quarks im Anfangszustand die Untersuchung der zugehörigen Partonverteilungsfunktion. In dieser Arbeit werden für phänomenologische Vorhersagen Wirkungsquerschnitte für die Produktion einzelner Top-Quarks oder Top-Antiquarks in Assoziation mit zwei Jets im SM berechnet. Dabei werden die Korrekturen in der nächstführenden Ordnung der Quantenchromodynamik (QCD) berücksichtigt. Diese Korrekturen bilden den wichtigsten Beitrag jenseits der führenden Ordnung zur Verbesserung der theoretischen Vorhersage. Präzise theoretische Vorhersagen für Wirkungsquerschnitte sind für die Suche nach Physik jenseits des SM mit dem Large Hadron Collider am CERN unerlässlich. Im Unterschied zu den im Jahr 2002 veröffentlichten Korrekturen in der QCD zur Produktion einzelner Top-Quarks wurde ein zusätzliches Teilchen im Endzustand berücksichtigt. Als Folge treten neue partonische Anfangszustände und Beiträge mit Farbaustausch zwischen den Quark-Linien auf. Da Top-Quarks nach kurzer Zeit in ein W-Boson und ein Bottom-Quark zerfallen, muss zugleich eine konsistente Abgrenzung von der Produktion einzelner Top-Quarks in Assoziation mit einem W-Boson und von der Paarproduktion vorgenommen werden. / The top quark is the heaviest known elementary particle. In the standard model (SM) of elementary particle physics it is produced predominantly in pairs by the strong interaction. The weak interaction enables the production of single top-quarks as well. Despite its difficult experimental signature, the production of single top-quarks is interesting as it is complementary to the production of pairs. For instance single top-quarks are highly polarized. As top quarks decay before they hadronize, the polarization affects the decay products of the top quark in an experimentally accessible way. Furthermore, the participation of bottom-quarks in the initial state allows a study of the corresponding parton distribution functions. This thesis makes phenomenological predictions for the SM by calculating cross sections for the production of single top-quarks in association with two jets. Next-to-leading order corrections in quantum chromodynamics (QCD) are taken into account. These corrections are the most important contribution for precise predictions beyond the leading order calculation. Precise theoretical predictions for cross sections are mandatory for the search for new physics at the Large Hadron Collider at CERN. In contrast to the QCD corrections for the production of single top-quarks published in 2002 an additional particle in the final state was taken into account. As a consequence, new partonic initial states and contributions with exchange of color charge between the quark lines occur. As top quarks decay rapidly into a W boson and a bottom quark, a consistent separation from the production of top quark pairs and from the production of single top-quarks in association with a W boson must be ensured.

Strahlungskorrekturen zur Hadronproduktion bei niedrigen Energien, wie man sie an den e+e- -Beschleunigern DAFNE und VEPP-2M misst, werden untersucht. Ziel dieser Arbeit ist es, die von QED--Korrekturen befreiten hadronischen Wirkungsquerschnitte aus den hadronischen Daten mit einer Praezision auf Promille-Niveau zu extrahieren. Hadronische Praezisionsdaten werden benoetigt, um den theoretischen Fehler zur laufenden Feinstrukturkonstanten alpha(s) und zum anomalen magnetischen Moment des Myons a(mu) zu senken und sie stellen daher einen Schluessel zur moeglichen Entdeckung ``neuer Physik'' dar. Insbesondere die Paarproduktion geladener Pionen e+e- -> pi+ pi- unterhalb einer Energie von 1 GeV ist von grosser Wichtigkeit. Zu diesem Prozess werden die vollstaendigen O(alpha)-QED-Korrekturen zum Anfangszustand, Endzustand sowie die Interferenzkorrekturen berechnet. Analytische Formeln zu den virtuellen und reellen photonischen Korrekturen werden angegeben. Der totale Wirkungsquerschnitt sigma, die Pion-Winkelverteilung dsigma/dcos(theta) und die Invariantemasseverteilung des Pionpaars dsigma/ds' werden fuer den Fall realistischer kinematischer Schnitte untersucht. Es wird gezeigt, dass zusaetzlich zu den vollstaendigen O(alpha)-Korrekturen zusaetzlich die photonischen Anfangszustandskorrekturen der Ordnung O(alpha^2) und fuehrende Photonbeitraege der Ordnung O(alpha^3) sowie Beitraege zur e+ e- -Paarabstrahlung vom Anfangszustand beruecksichtigt werden muessen wenn mindestens eine Genauigkeit auf Prozent-Niveau verlangt wird. Fuer die Datenanalyse wird der Schwerpunkt auf eine inklusive Behandlung aller Photonen gelegt. Die Messung sowohl des totalen Wirkungsquerschnitts als auch der pi+ pi- Invariantemasseverteilung betreffend wird der theoretische Fehler dieser Behandlung der Strahlungskorrekturen mit 2 Promille abgeschaetzt. Ausserdem wird die Modellunsicherheit als Folge der Pion-Substruktur diskutiert. Um den Formfaktor mit der gewuenschten Praezision aus den experimentellen Daten extrahieren zu koennen, wurde ein auf diese Fragestellung zugeschnittenes Fortran-Programm geschrieben, welches die Beruecksichtigung realistischer kinematischer Schnitte erlaubt. Insgesamt erfuellt die Genauigkeit der theoretischen Vorhersagen die Erfordernisse der Niedrigenergie- e+ e- -Experimente wie diejenigen bei DAFNE oder VEPP-2M. / Radiative corrections to low energy hadron production as measured at the e+ e- colliders DAFNE and VEPP-2M are investigated. The goal of this work is to provide the theoretical condition for extracting hadronic cross sections undressed from QED corrections from the measured data with a precision of per mill level. High precision hadronic data are required to reduce the theoretical error of the running fine structure constant alpha(s) and the muon anomalous magnetic moment a(mu) and therefore represent a key to a possible discovery of ``new physics''. Especially the channel of charged pion pair production e+e- -> pi+ pi- below 1 GeV appears to be of great importance. To this process the complete O(alpha) QED initial state, final state and initial-final state interference corrections are calculated. Analytic formulae are given for the virtual and for the real photon corrections. The total cross section sigma, the pion angular distribution dsigma/dcos(theta) and the pi+ pi- invariant mass distribution dsigma/ds' are investigated in the regime of experimentally realistic kinematical cuts. It is shown that in addition to the full O(alpha) corrections also the O(alpha^2) and leading log O(alpha^3) photonic corrections as well as the contributions from IS e+ e- pair production have to be taken into account if at least per cent accuracy is required. For the data analysis I focus on an inclusive treatment of all photons. The theoretical error concerning this treatment of radiative corrections is then estimated to be 2 per mill for both the measurement of the total cross section and the pi+ pi- invariant mass distribution. In addition the model uncertainty due to the pion substructure is discussed. To be able to extract the pion form factor from the experimental data with the desired accuracy a dedicated Fortran program was written which allows to take into account experimentally realistic kinematical cuts. Altogether the precision of the theoretical prediction matches the requirements of low energy e+ e- experiments like the ones at DAFNE and VEPP-2M.

Über einen Mellinraumzugang werden Methoden zur Auswertung von Wirkunsquerschnitten für verschiedene Prozesse mit Hadronen im Anfangszustand entwickelt. Die Arbeit geschieht im Hinblick auf drei Prozesse, für die die analyischen Ergebnisse für perturbative QCD Korrekturen zu “next-to-next-to-leading order” bekannt sind; diese sind: die Produktion der Vektorbosonen Z0 und W± über einen Drell-Yan-Prozess in der “narrow width”-Näherung, die Produktion eines Standardmodell-Higgs-Bosons über die Fusion zweier Gluonen im Grenzfall schwerer Top-Quark-Massen und die tiefinelastische Lepton-Hadron-Streuung über neutrale und geladene Ströme. Die Implementierung der Mellinraumtechniken erfolgt in dem c++ Paket sbp. Das Programm ermöglicht auf elegante Weise eine schnelle und präzise Auswertung von inklusiven Wirkungsquerschnitten. Wir vergleichen sbp mit den herkömmlichen Impulsraumtechniken, und präsentieren Studien der asymptotischen Konvergenz den perturbativen Reihen und von Skalenabhängigkeiten. Als Anwendung untersuchen wir welchen Einfluss die Behandlung der Faktorisierungs- und Renormierungsskala auf den Wirkungsquerschnitt hat. / In this thesis we will explore a Mellin space approach to the evaluation of precision cross-sections at hadron colliders. We consider three processes with known analytic results for perturbative QCD corrections up to the next-to-next-to-leading order, namely: the production of vector bosons Z0, W± via the Drell-Yan mechanism in the narrow width approximation; the production of the standard model Higgs boson via gluon-gluon fusion using the large top quark mass limit and the neutral and charged current deep inelastic lepton-hadron scattering. We develop a c++ package sbp that implements the Mellin space technique. The resulting program provides an elegant, fast and accurate solution for the evaluation of inclusive cross sections. We compare our program with available results that use standard momentum space techniques. We present studies of asymptotic convergence and scale dependence of the perturbative series. We use the package to study different treatments of factorisation and renormalisation scales in cross sections.

In dieser Arbeit wird die Messung zweier fundamentaler Parameter des Standardmodells der Teilchenphysik diskutiert: der Betrag des CKM Matrixelements Vcb und die b-Quarkmasse. / In this work, the preliminary measurements of two fundamental parameters of the Standard Model of particles physics are presented: the CKM matrix element Vcb, and the b-quark mass.

In dieser Disseratation wird eine mögliche Erweiterung des Standardmodells der Elementarteilchen (SM) im Higgs-Sektor mithilfe von Topquarkpaarproduktion am Large Hadron Collider untersucht. Insbesondere wird dabei auf das sogenannte Zwei-Higgs-Duplettmodell eingegangen. Dieses Modell führt mehrere Spin-0 Bosonen (auch Higgsbosonen genannt) zusätzlich zum SM-Higgsboson ein. Dabei wird in dieser Arbeit von der Annahme ausgegangen, dass diese zusätzlichen Higgsbosonen schwer genug sind um in ein Top-Antitop-Paar zu zerfallen. Somit können die experimentellen Signaturen dieser neuen Teilchen mit Hilfe von Observablen der Topquarkpaarproduktion untersucht werden. Dazu wird die resonante Erzeugung von schweren Higgsbosonen und deren Zerfall in Topquarkpaare bis einschließlich Quantenkorrekturen in der nächst-zu-führenden Ordnung (NLO) in der QCD-Kopplungskonstanten berechnet. Weiterhin wird die volle Spininformation des Top-Antitop-Paares beibehalten, welche die Analyse von spinabhängigen Observablen erlaubt. Diese können, insbesondere in Falle von Top-Antitop-Spinkorrelationen, sehr sensitiv auf Effekte schwerer Higgsbosonen sein. Dies zeigt sich besonders in Vergleich zu spinunabhängigen Observablen. Die Sensitivität von spinabhängigen Observablen kann zudem noch durch entsprechende Schnitte auf den Phasenraum von Top- und Antitopquark verstärkt werden. In dieser Dissertation wird ein Verfahren vorgestellt, mit dessen Hilfe sich die Spinkorrelationen identifizieren lassen, welche die größte Sensitivität auf die Effekte schwerer Higgsbosonen aufweisen. Außerdem wird durch die Berechnung der Beiträge zur NLO u.a. gezeigt, dass diese Beiträge wichtig sind um aussagekräftige und robuste Observablen zu definieren. Die Ergebnisse der NLO, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, sind die ersten ihrer Art für die resonante Erzeugung von schweren Higgsbosonen und deren Zerfall in Topquarkpaare. / In this dissertation a possible extension of the standard model of particle physics (SM) in the Higgs sector is investigated using top-quark pair production at the Large Hadron Collider as a probe. In particular, the so-called two-Higgs-doublet model (2HDM) is studied. The 2HDM introduces several spin-0 bosons (which are also called Higgs bosons) in addition to the SM Higgs boson. In this thesis these additional Higgs bosons are assumed to be heavy enough to decay into a top-antitop quark pair. Thus, the experimental signatures of these new particles can be studied through observables of top-quark pair production. To this end the resonant production of heavy neutral Higgs bosons and their decay into top-quark pairs in calculated up to next-to-leading order corrections in the QCD coupling constant retaining the full spin information of the top-antitop pair. This allows to analyse spin dependent observables which can be more sensitive to effects of heavy Higgs bosons than spin independent ones especially in the case of top-antitop spin correlations. The additional application of kinematical cuts on the phase space of top and antitop quarks can enhance the sensitivity further. In this thesis a method is presented that can be used to construct the spin correlation which is most sensitive to the effects of heavy Higgs bosons on top-quark pair production. Furthermore, it is shown that the next-to-leading order corrections are required to construct observables which entail robust predictions. The results for the next-to-leading order in the QCD coupling constant presented in this thesis were the first ones given for resonant heavy Higgs production and decay into top-quark pairs.

In dieser Arbeit studieren wir das ekpyrotische Szenario, welches ein kosmologisches Modell des frühen Universums ist. Dieses Modell erklärt mit Hilfe einer kontrahierenden ekpyrotischen Phase die "Anfangsbedingungen" des Universums. Das bedeutet, dass der konventionelle "Urknall" durch einem Rückprall ersetzt wird. In dieser Arbeit versuchen wir Unstimmigkeiten zwischen den Vorhersagen der ekpyrotischen Modelle und den Messungen der Kosmologischen Hintergrundstrahlung des Planck Satelliten zu lösen. Den Planck Messungen zufolge sind die ursprünglichen adiabatischen Fluktuationen fast skaleninvariant und gaußverteilt. Während der ekpyrotischen Phase werden typischer Weise Flutuationen mit nicht-Gaußschen Korrekturen erzeugt. Wir schlagen zwei Ansätze vor, um diese Unstimmigkeit zu beheben. In dem nicht-minimalen entropischen Mechanismus werden fast skaleninvariante entropische Fluktuationen mit Hilfe einer nicht-minimalen kinetischen Kopplung zwischen zwei Skalarfeldern erzeugt. Wir werden zeigen, dass die nicht-Gaußschen Korrekturen während der ekpyrotischen Phase genau Null sind. Dies führt zu insgesamt kleinen nicht-Gaußschen Korrekturen nach der Umwandlung von entropischen zu adiabatischen Fluktuationen. Im Folgendem werden wir eine kinetische Umwandlung untersuchen, die nach einem nicht-singulären Rückprall stattfindet. Das Wachstum der entropischen Fluktuationen während des Rückpralls hat zur Folge, dass die möglichen nicht-Gaußschen Korrekturen, die zur Zeit der ekpyrotischen Phase erzeugt wurden, während des Rückpralls unterdrückt werden. Im letzten Teil der Arbeit gehen wir ein gravierendes Problem des inflationären Paradigmas an, welches "slow-roll eternal inflation" genannt wird. Wir schlagen ein Modell vor, das Ideen von Inflation und Ekpyrosis verbindet. Während der Konflation expandiert das Universum beschleunigt. Die adiabatischen Fluktuationen verhalten sich jedoch wie bei ekpyrotischen Modellen und wird "slow-roll eternal inflation" verhindert. / In this thesis, we study the ekpyrotic scenario, which is a cosmological model of the early universe. In this model the ``initial conditions'' of the universe are determined by a contracting ekpyrotic phase, which means that the conventional ``Big Bang'' is replaced by a bounce. The following thesis addresses the tension between ekpyrotic predictions and the observations of the Cosmic Microwave Background radiation by the Planck team. According to the Planck data, the primordial curvature fluctuations are nearly scale-invariant and Gaussian. However, during ekpyrosis, the fluctuations have typically sizable non-Gaussian signatures. In this thesis, we propose two approaches in order to resolve the tension with observations. In the non-minimal entropic mechanism, nearly scale-invariant entropy perturbations are created due to a non-minimal kinetic coupling between two scalar fields. We will show that the non-Gaussian corrections during ekpyrosis are precisely zero leading to overall small non-Gaussian signatures after the conversion process from entropy perturbations to curvature perturbations. In the following, we will consider a kinetic conversion phase, which takes place after a non-singular bounce. Due to the growth of entropy perturbations during the bounce phase, the possibly large non-Gaussian corrections created during the ekpyrotic phase become suppressed during the bounce. The last part of this thesis addresses a major problem of the inflationary paradigm: Due to large adiabatic fluctuations, slow-roll eternal inflation creates infinitely many physically distinct pocket universes. We propose a model in the framework of scalar-tensor theories, which conflated ideas of both inflation and ekpyrosis. During conflation, the universe undergoes accelerated expansion, but there are no large adiabatic fluctuations like during ekpyrosis resulting in the absence of slow-roll eternal inflation.

By numerical methods, two models of anisotropic mixed quantum spin chains, consisting of spins of two different sizes, Sa = 1/2 and Sb = 1 as well as Sb = 3/2, are studied with respect to their critical properties at quantum phase transitions in a selected region of parameter space. The quantum spin chains are made up of basecells of four spins, according to the structure Sa − Sa − Sb − Sb. They are described by the XXZ Hamiltonian, that extends the quantum Heisenberg model by a variable anisotropic exchange interaction. As additional control parameter, an alternating exchange constant between nearest-neighbour spins is introduced. Insight gained by complementary application of exact diagonalization and quantum Monte Carlo simulations, as well as appropriate methods of analysis, is embedded in the broad existing knowledge on homogeneous quantum spin chains. In anisotropic homogeneous quantum spin chains, there exist phase boundaries with continuously varying critical exponents, the Gaussian critical lines, along which, in addition to standard scaling relations, further extended scaling relations hold. Reweighting methods, also applied to improved quantum Monte Carlo estimators, and finite-size scaling analysis of simulation data deliver a wealth of numerical results confirming the existence of a Gaussian critical line also in the mixed spin models considered. Extrapolation of exact data offers, apart from confirmation of simulation data, furthermore, insight into the conformal operator content of the model with Sb = 1. / Mittels numerischer Methoden werden zwei Modelle anisotroper gemischter Quantenspinketten, bestehend aus Spins zweier unterschiedlicher Größen, Sa = 1/2 und Sb = 1 sowie Sb = 3/2, hinsichtlich ihrer kritischen Eigenschaften an Quanten-Phasenübergängen in einem ausgewählten Parameterbereich untersucht. Die Quantenspinketten sind aus Basiszellen zu vier Spins, gemäß der Struktur Sa − Sa − Sb − Sb, aufgebaut. Sie werden durch den XXZ Hamiltonoperator beschrieben, der das isotrope Quanten-Heisenberg Modell um eine variable anistrope Austauschwechselwirkung erweitert. Als zusätzlicher Kontrollparameter wird eine alterniernde Kopplungskonstante zwischen unmittelbar benachbarten Spins eingeführt. Die durch komplementäre Anwendung exakter Diagonalisierung und Quanten-Monte-Carlo Simulationen, sowie entsprechender Analyseverfahren, gewonnenen Erkenntnisse werden in das umfangreiche existierende Wissen über homogene Quantenspinketten eingebettet. Im Speziellen treten in anisotropen homogenen Quantenspinketten Phasengrenzen mit kontinuierlich variierenden kritischen Exponenten auf, die Gaußschen kritischen Linien, auf denen neben den herkömmlichen auch erweiterte Skalenrelationen Gültigkeit besitzen. Umgewichtungsmethoden, speziell auch angewandt auf verbesserte Quanten-Monte-Carlo Schätzer, und Endlichkeitsskalenanalyse von Simulationsdaten liefern eine Fülle von numerischen Ergebnissen, die das Auftreten der Gaußschen kritischen Linie auch in den untersuchten gemischten Quantenspinketten bestätigen. Die Extrapolation exakter Daten bietet, neben der Bestätigung der Simulationsdaten, darüber hinaus Einblick in einen Teil des konformen Operatorinhalts des Modells mit Sb = 1.

With the constantly increasing precision of experimental data acquired at the current collider experiments Tevatron and LHC the theoretical uncertainty on the prediction of multiparticle final states has to decrease accordingly in order to have meaningful tests of the underlying theories such as the Standard Model. A pure leading order calculation, defined in the perturbative expansion of said theory in the interaction constant, represents the classical limit to such a quantum field theory and was already found to be insufficient at past collider experiments, e.g. LEP or Hera. Such a leading order calculation can be systematically improved in various limits. If the typical scales of a process are large and the respective coupling constants are small, the inclusion of fixed-order higher-order corrections then yields quickly converging predictions with much reduced uncertainties. In certain regions of the phase space, still well within the perturbative regime of the underlying theory, a clear hierarchy of the inherent scales, however, leads to large logarithms occurring at every order in perturbation theory. In many cases these logarithms are universal and can be resummed to all orders leading to precise predictions in these limits. Multiparticle final states now exhibit both small and large scales, necessitating a description using both resummed and fixed-order results. This thesis presents the consistent combination of two such resummation schemes with fixed-order results. The main objective therefor is to identify and properly treat terms that are present in both formulations in a process and observable independent manner. In the first part the resummation scheme introduced by Yennie, Frautschi and Suura (YFS), resumming large logarithms associated with the emission of soft photons in massive Qed, is combined with fixed-order next-to-leading matrix elements. The implementation of a universal algorithm is detailed and results are studied for various precision observables in e.g. Drell-Yan production or semileptonic B meson decays. The results obtained for radiative tau and muon decays are also compared to experimental data. In the second part the resummation scheme introduced by Dokshitzer, Gribov, Lipatov, Altarelli and Parisi (DGLAP), resumming large logarithms associated with the emission of collinear partons applicable to both Qcd and Qed, is combined with fixed-order next-to-leading matrix elements. While the focus rests on its application to Qcd corrections, this combination is discussed in detail and the implementation is presented. The resulting predictions are evaluated and compared to experimental data for a multitude of processes in four different collider environments. This formulation has been further extended to accommodate real emission corrections to beyond next-to-leading order radiation otherwise described only by the DGLAP resummation. Its results are also carefully evaluated and compared to a wide range of experimental data.

With the constantly increasing precision of experimental data acquired at the current collider experiments Tevatron and LHC the theoretical uncertainty on the prediction of multiparticle final states has to decrease accordingly in order to have meaningful tests of the underlying theories such as the Standard Model. A pure leading order calculation, defined in the perturbative expansion of said theory in the interaction constant, represents the classical limit to such a quantum field theory and was already found to be insufficient at past collider experiments, e.g. LEP or Hera. Such a leading order calculation can be systematically improved in various limits. If the typical scales of a process are large and the respective coupling constants are small, the inclusion of fixed-order higher-order corrections then yields quickly converging predictions with much reduced uncertainties. In certain regions of the phase space, still well within the perturbative regime of the underlying theory, a clear hierarchy of the inherent scales, however, leads to large logarithms occurring at every order in perturbation theory. In many cases these logarithms are universal and can be resummed to all orders leading to precise predictions in these limits. Multiparticle final states now exhibit both small and large scales, necessitating a description using both resummed and fixed-order results. This thesis presents the consistent combination of two such resummation schemes with fixed-order results. The main objective therefor is to identify and properly treat terms that are present in both formulations in a process and observable independent manner. In the first part the resummation scheme introduced by Yennie, Frautschi and Suura (YFS), resumming large logarithms associated with the emission of soft photons in massive Qed, is combined with fixed-order next-to-leading matrix elements. The implementation of a universal algorithm is detailed and results are studied for various precision observables in e.g. Drell-Yan production or semileptonic B meson decays. The results obtained for radiative tau and muon decays are also compared to experimental data. In the second part the resummation scheme introduced by Dokshitzer, Gribov, Lipatov, Altarelli and Parisi (DGLAP), resumming large logarithms associated with the emission of collinear partons applicable to both Qcd and Qed, is combined with fixed-order next-to-leading matrix elements. While the focus rests on its application to Qcd corrections, this combination is discussed in detail and the implementation is presented. The resulting predictions are evaluated and compared to experimental data for a multitude of processes in four different collider environments. This formulation has been further extended to accommodate real emission corrections to beyond next-to-leading order radiation otherwise described only by the DGLAP resummation. Its results are also carefully evaluated and compared to a wide range of experimental data.:1. Introduction 1.1 Event generators 1.2 The event generator Sherpa 1.3 Outline of this thesis Part I YFS resummation & fixed order calculations 2 Yennie-Frautschi-Suura resummation 2.1 Resummation of virtual photon corrections 2.2 Resummation of real emission corrections 2.3 The Yennie-Frautschi-Suura form factor 3 A process independent implementation in Sherpa 3.1 The Algorithm 3.1.1 The master formula 3.1.2 Phase space transformation 3.1.3 Mapping of momenta 3.1.4 Event generation 3.2 Higher Order Corrections 3.2.1 Approximations for real emission matrix elements 3.2.2 Real emission corrections 3.2.3 Virtual emission corrections 4 The Z lineshape and radiative lepton decay corrections 4.1 The Z lineshape 4.1.1 Radiation pattern 4.1.2 Numerical stability 4.2 Radiative lepton decays 4.3 Summary and conclusions 5 Electroweak corrections to semileptonic B decays 5.1 Tree-level decay 5.2 Next-to-leading order corrections 5.2.1 Matching of different energy regimes 5.2.2 Short-distance next-to-leading order corrections 5.2.3 Long-distance next-to-leading order corrections 5.2.4 Structure dependent terms 5.2.5 Soft-resummation and inclusive exponentiation 5.3 Methods 5.3.1 BLOR 5.3.2 Sherpa/Photons 5.3.3 PHOTOS 5.4 Results 5.4.1 Next-to-leading order corrections to decay rates 5.4.2 Next-to-leading order corrections to differential rates 5.4.3 Influence of explicit short-distance terms 5.5 Summary and conclusions Part II DGLAP resummation & fixed order calculations 6 DGLAP resummation & approximate higher order corrections 6.1 Dokshitzer-Gribov-Lipatov-Altarelli-Parisi resummation 6.1.1 The naive parton model 6.1.2 QCD corrections to the parton model 6.1.3 Factorisation and the collinear counterterm 6.1.4 The DGLAP equations 6.2 Parton evolution 6.2.1 Approximate real emission cross sections 6.2.2 Parton evolution 6.2.3 Scale choices for the running coupling 6.3 Soft emission corrections 7 The reinterpretation and automisation of the POWHEG method 7.1 Decomposition of the real-emission cross sections 7.2 Construction of a parton shower 7.3 Matrix element corrections to parton showers 7.4 The reformulation of the POWHEG method 7.4.1 Approximate NLO cross sections 7.4.2 The POWHEG method and its accuracy 7.5 The single-singularity projectors 7.6 Theoretical ambiguities 7.7 MC@NLO 7.8 Realisation of the POWHEG method in the Sherpa Monte Carlo 7.8.1 Matrix elements and subtraction terms 7.8.2 The parton shower 7.8.3 Implementation & techniques 7.8.4 Automatic identification of Born zeros 7.9 Results for processes with trivial colour structures 7.9.1 Process listing 7.9.2 Tests of internal consistency 7.9.3 Comparison with tree-level matrix-element parton-shower merging 7.9.4 Comparison with experimental data 7.9.5 Comparison with existing POWHEG 7.10 Results for processes with non-trivial colour structures 7.10.1 Comparison with experimental data 7.11 Summary and conclusions 8 MENLOPS 8.1 Improving parton showers with higher-order matrix elements 8.1.1 The POWHEG approach 8.1.2 The ME+PS approach 8.2 Merging POWHEG and ME+PS - The MENLOPS 8.3 Results 8.3.1 Merging Systematics 8.3.2 ee -> jets 8.3.3 Deep-inelastic lepton-nucleon scattering 8.3.4 Drell-Yan lepton-pair production 8.3.5 W+jets Production 8.3.6 Higgs boson production 8.3.7 W-pair+jets production 8.4 Summary and conclusions Summary Appendix A Details on the YFS resummation implementation A.1 The YFS-Form-Factor A.1.1 Special cases A.2 A.2.1 Avarage photon multiplicity A.2.2 Photon energy A.2.3 Photon angles A.2.4 Photons from multipoles A.3 Massive dipole splitting functions A.3.1 Final State Emitter, Final State Spectator A.3.2 Final State Emitter, Initial State Spectator A.3.3 Initial State Emitter, Final State Spectator B Formfactors and higher order matrix elements for semileptonic B decays B.1 Form factor models of exclusive semileptonic B meson decays B.1.1 Form factors for B -> D l nu B.1.2 Form factors for B -> pi l nu B.1.3 Form factors for B -> D0* l nu B.2 NLO matrix elements B.2.1 Real emission matrix elements B.2.2 Virtual emission matrix elements B.3 Scalar Integrals B.3.1 General definitions B.3.2 Tadpole integrals B.3.3 Bubble integrals B.3.4 Triangle integrals C Explicit form of the leading order Altarelli-Parisi splitting functions C.1 Collinear limit of real emission matrix elements C.1.1 q -> gq splittings C.1.2 q -> qg splittings C.1.3 g -> qq splittings C.1.4 g -> gg splittings Bibliography

By numerical methods, two models of anisotropic mixed quantum spin chains, consisting of spins of two different sizes, Sa = 1/2 and Sb = 1 as well as Sb = 3/2, are studied with respect to their critical properties at quantum phase transitions in a selected region of parameter space. The quantum spin chains are made up of basecells of four spins, according to the structure Sa − Sa − Sb − Sb. They are described by the XXZ Hamiltonian, that extends the quantum Heisenberg model by a variable anisotropic exchange interaction. As additional control parameter, an alternating exchange constant between nearest-neighbour spins is introduced. Insight gained by complementary application of exact diagonalization and quantum Monte Carlo simulations, as well as appropriate methods of analysis, is embedded in the broad existing knowledge on homogeneous quantum spin chains. In anisotropic homogeneous quantum spin chains, there exist phase boundaries with continuously varying critical exponents, the Gaussian critical lines, along which, in addition to standard scaling relations, further extended scaling relations hold. Reweighting methods, also applied to improved quantum Monte Carlo estimators, and finite-size scaling analysis of simulation data deliver a wealth of numerical results confirming the existence of a Gaussian critical line also in the mixed spin models considered. Extrapolation of exact data offers, apart from confirmation of simulation data, furthermore, insight into the conformal operator content of the model with Sb = 1. / Mittels numerischer Methoden werden zwei Modelle anisotroper gemischter Quantenspinketten, bestehend aus Spins zweier unterschiedlicher Größen, Sa = 1/2 und Sb = 1 sowie Sb = 3/2, hinsichtlich ihrer kritischen Eigenschaften an Quanten-Phasenübergängen in einem ausgewählten Parameterbereich untersucht. Die Quantenspinketten sind aus Basiszellen zu vier Spins, gemäß der Struktur Sa − Sa − Sb − Sb, aufgebaut. Sie werden durch den XXZ Hamiltonoperator beschrieben, der das isotrope Quanten-Heisenberg Modell um eine variable anistrope Austauschwechselwirkung erweitert. Als zusätzlicher Kontrollparameter wird eine alterniernde Kopplungskonstante zwischen unmittelbar benachbarten Spins eingeführt. Die durch komplementäre Anwendung exakter Diagonalisierung und Quanten-Monte-Carlo Simulationen, sowie entsprechender Analyseverfahren, gewonnenen Erkenntnisse werden in das umfangreiche existierende Wissen über homogene Quantenspinketten eingebettet. Im Speziellen treten in anisotropen homogenen Quantenspinketten Phasengrenzen mit kontinuierlich variierenden kritischen Exponenten auf, die Gaußschen kritischen Linien, auf denen neben den herkömmlichen auch erweiterte Skalenrelationen Gültigkeit besitzen. Umgewichtungsmethoden, speziell auch angewandt auf verbesserte Quanten-Monte-Carlo Schätzer, und Endlichkeitsskalenanalyse von Simulationsdaten liefern eine Fülle von numerischen Ergebnissen, die das Auftreten der Gaußschen kritischen Linie auch in den untersuchten gemischten Quantenspinketten bestätigen. Die Extrapolation exakter Daten bietet, neben der Bestätigung der Simulationsdaten, darüber hinaus Einblick in einen Teil des konformen Operatorinhalts des Modells mit Sb = 1.