Techn. Universiẗat, Diss., 1999--Dresden.

University, Diss., 2002--München.

The thesis deals with the automated generation and efficient evaluation of scattering amplitudes in general relativistic quantum field theories at one-loop order in perturbation theory. At the present time we lack signals beyond the Standard Model which, in the past, have guided the high-energy physics community, and ultimately led to the discovery of new physics phenomena. In the future, precision tests could acquire this guiding role by systematically probing the Standard Model and constraining Beyond the Standard Model theories. As current experimental constraints strongly favour Standard Model-like theories, only small deviations with respect to the Standard Model are expected which need to be studied in detail. The required precision demands one-loop corrections in all future analyses, ideally in a fully automated way, allowing to test a variety of observables in different models and in an effective field theory approach. In the process of achieving this goal we have developed an enhanced version of the tool Recola and on this basis the generalization Recola2. These tools represent fully automated tree- and one-loop-amplitude providers for the Standard Model, or in the case of Recola2 for general models. Concerning the algorithm, we use a purely numerical and fully recursive approach allowing for extreme calculations of yet unmatched complexity. Recola has led to the first computation involving 9-point functions. Beyond the Standard Model theories and Effective Field theories are integrated into the Recola2 framework as model files. Renormalized model files are produced with the newly developed tool Rept1l, which can perform the renormalization in a fully automated way, starting from nothing but Feynman rules. In view of validation, we have extended Recola2 to new gauges such as the Background-Field Method and the class of Rxi gauges. In particular, the Background-Field Method formulation for new theories serves as an automated validation, and is very useful in practical calculations and the formulation of renormalization conditions. We have applied the system to produce the first results for Higgs-boson production in Higgs strahlung and vector-boson fusion in the Two-Higgs-Doublet Model and the Higgs-Singlet Extension of the Standard Model. All in all, we have laid the foundation for an automated generation and computation of one-loop amplitudes within a large class of phenomenologically interesting theories. Furthermore, we enable the use of our system via a very flexible and dynamic control which does not require any intermediate intervention. / In dieser Arbeit behandeln wir die automatisierte Generierung und effiziente Auswertung von Streuamplituden in allgemeinen relativistischen Quantenfeldtheorien auf Einschleifen-Niveau. Gegenwärtig gibt es keine konkreten Hinweise auf Physik jenseits des Standard Models und daher auch keine Möglichkeit, gezielt nach neuer Physik in Teilchenbeschleuniger-Experimenten zu suchen. In der Zukunft könnten Präzisionstests eine richtungsweisende Rolle übernehmen und Aufschluss über Abweichungen zum Standard Model geben, und dabei möglicherweise erlauben, indirekt auf neue Physik zu schließen. Nach dem derzeitigen experimentellen Stand werden Standard-Model-artige Theorien deutlich bevorzugt. Infolgedessen werden nur kleine Abweichungen zum Standard Model erwartet, die mit hoher Präzision untersucht werden müssen. Auf der theoretischen Seite erfordert die nötige Präzision die Berechnung von Einschleifen-Korrekturen in allen zukünftigen Analysen, die, idealerweise, vollautomatisiert durchgeführt werden, um alle grundsätzlich zugänglichen Observablen in verschiedensten Theorien testen zu können. Um dieses Ziel schrittweise zu erreichen, haben wir das Programm Recola weiterentwickelt, und auf dieser Basis die Verallgemeinerung Recola2 entwickelt. Die Programme erlauben eine vollautomatisierte Erzeugung und Auswertung von Baumgraphen- und Einschleifen-Amplituden für das Standard Model, beziehungsweise, im Falle von Recola2, für allgemeine Theorien. Der zugrundeliegende numerische Algorithmus arbeitet vollständig rekursiv und erlaubt die Berechnung von Prozessen mit bislang unerreichter Komplexität. Beispielsweise hat Recola zur ersten Berechnung mit 9-Punkt Funktionen geführt. In Recola2 werden neue Theorien durch spezifische Recola2 Modelfiles in das System integriert. Die Renormierung wird mit dem neu entwickelten Programm Reptil vollautomatisch durchgeführt, wobei lediglich die Feynman Regeln als externe Abhängigkeit benötigt werden. Zur Validierung des Systems wurden zum einen Vergleiche mit unabhängigen Rechnungen durchgeführt, und zum anderen Recola2 soweit verallgemeinert, dass dessen Konsistenz in verschiedenen Eichungen getestet werden kann. Besonders die Background-Field Formulierung erlaubt es neue Theorien automatisch zu validieren und ist darüberhinaus sehr nützlich für praktische Rechnungen, sowie für die Formulierung von Renormierungsbedingungen. Mit diesem System haben wir die ersten Berechnungen zur Higgs-Boson-Produktion in Higgs-Strahlung und Vektor-Boson-Fusion im Zwei-Higgs-Doublet Model und der Higgs-Singlet Erweiterung des Standard Models durchgeführt. Alles in allem wurden die Voraussetzungen geschaffen, Einschleifen-Amplituden in einer großen Klasse von phänomenologisch interessanten Theorien automatisiert erzeugen zu können. Darüberhinaus ermöglichen wir die Nutzung für andere durch eine sehr flexible und dynamische Bedienung, die keinerlei Zwischenschritte benötigt.

Einer der interssantesten Prozesse im Flavour Sektor des Standard Modells (SM) im Kontext der indirekten Suche nach neuer Physik ist der seltene inklusive Zerfall B -> Xs gamma. Dieser Zerfallskanal entspricht einem neutralen Strom mit Wechsel des Flavours zwischen Anfangs- und Endzustand. Im SM ist ein solcher Uebergang unterdrueckt, da er nur ueber Schleifenbeitraege erfolgen kann, und ist somit sensitiv auf Beitraege neuer Physik. Darueber hinaus sind nichtperturbative Beitraege moderat, was praezise theoretische Vorhersagen im Rahmen einer effektiven Niederenergie Theorie ermoeglicht. Sowohl praezise Messungen als auch genaue theoretische Vorhersagen mit einer guten Kontrolle ueber perturbative und nichtperturbative Effekte sind notwendig, um den Parameterraum von Modellen jenseits des SM einzuschraenken. Experimentell wurde die Zerfallsrate B -> Xs gamma vor Allem mit Hilfe der spezialisierten Experimente BaBar und Belle an den sogenannten B Fabriken mit einer hervorragenden Genauigkeit gemessen. Um diese Praezision auch in der theoretische Vorhersage zu erhalten, sind hoehere Ordnungen in der effektiven Stoerungstheorie essentiell. Tatsaechlich fuehrt erst die Beruecksichtigung von QCD Korrekturen auf der naechst-zu-naechst-zu hoeheren Ordnung (NNLO) in Stoerungstheorie zu einer mit dem Experiment vergleichbaren theoretischen Unsicherheit. Die Bestimmung des Verzweigungsverhaeltnisses von B -> Xs gamma auf NNLO wurde innerhalb der letzten zehn Jahre von mehreren Arbeitsgruppen angegangen. Ein Gro"steil dieses Projekts wurde abgeschlossen und eine erste Abschaetzung auf diesem Niveau der Stoerungstheorie 2006 publiziert. Allerdings standen fuer diese Vorhersage nicht alle Beitraege von nach wie vor unbekannten Matrixelementen zur Verfuegung, die nur aus partiell bekannten Resultaten abgeschaetzt werden mussten. In dieser Arbeit bereiten wir einen Rahmen fuer die systematische Bestimmung der noch nicht verfuegbaren Matrixelemente auf NNLO. Ein Hauptergebnis dieser Dissertation ist die Bestimmung von fermionischen Korrekturen zu Matrixelementen von Vier-Quark Operatoren in der effektiven Theorie. Erstmalig wird hierbei die volle Massenabhaengigkeit beruecksichtigt. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Berechnung von fermionischen als auch bosonischen Korrekturen im Grenzwert einer verschwindenden Masse des Charm Quarks. Zusammen mit noch unbekannten reellen Korrekturen werden diese Ergebnisse dazu beitragen, die Unsicherheit der NNLO Vorhersage signifikant zu reduzieren. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit, der die hier durchgefuehrten Berechnungen erst ermoeglichte, ist die Entwicklung einer automatisierten Methode zur hochpreazisen Bestimmung von Vielschleifenintegralen die zwei Massenskalen enthalten. / In the context of the indirect search for non-standard physics in the flavour sector of the Standard Model (SM), one of the most interesting processes is the rare inclusive B -> X_s gamma decay. On the one hand, being a flavour-changing neutral current, this B decay is sensitive to new physics, as it is loop-suppressed in the SM. On the other hand, it is only mildly affected by non-perturbative effects, and thus allows for precise theoretical predictions in the framework of renormalization-group improved perturbation theory. Accurate measurements as well as precise theoretical predictions with a good control over both perturbative and non-perturbative contributions have to be provided in order to derive stringent constraints on the parameter space of physics beyond the SM. On the experimental side, an outstanding accuracy in the measurement of the B -> Xs gamma decay rate has been achieved, which is mainly due the specialized experiments BaBar and Belle at the so-called B factories. To match the small experimental uncertainty, higher order computations within an effective low-energy theory of the SM are mandatory. In fact, next-to-next-to-leading order (NNLO) QCD corrections are required to provide a prediction for the decay rate with the same precision as the measurement. The NNLO evaluation of the B -> Xs gamma decay rate has been pursued by various groups over the last decade. The project was completed to a large extent and a first estimate at this level of perturbation theory was obtained in 2006. This prediction, however, lacks important contributions from yet unknown matrix elements, that were estimated from results which are only partially known to date. In this work, we provide a framework for the systematic study of the missing matrix elements at the NNLO. As main results of this thesis, we determine fermionic corrections to the charm quark mass dependent matrix elements of four-quark operators in the effective theory at NNLO. For the first time, the full mass dependence was kept. Moreover, we evaluate both bosonic and fermionic corrections to the decay rate in the limit of vanishing charm quark mass. These findings, combined with yet unknown remaining real contributions, will help to reduce the uncertainty of the NNLO branching ratio estimate considerably. Another central topic of the present work is the development of an automatic high-precision computation of multi-loop multi-scale integrals, a crucial ingredient for the here presented results.

The four-dimensional Minkowski space is known to be a good description for space-time down to the length scales probed by the latest high-energy experiments. Nevertheless, there is the viable and exciting possibility that additional space-time structure will be observable in the next generation of collider experiments. Hence, we discuss different extensions of the standard model of particle physics with an extra dimension at the TeV-scale. We assume that some of the gauge and Higgs bosons propagate in one additional spatial dimension, while matter fields are confined to a four-dimensional subspace, the usual Minkowski space. After compactification on an S^1/Z_2 orbifold, an effective four-dimensional theory is obtained where towers of Kaluza-Klein (KK) modes, in addition to the standard model fields, reflect the higher-dimensional structure of space-time. The models are elaborated from the 5D Lagrangian to the Feynman rules of the KK modes. Special attention is paid to an appropriate generalization of the Rxi-gauge and the interplay between spontaneous symmetry breaking and compactification. Confronting the observables in 5D standard model extensions with combined precision measurements at the Z-boson pole and the latest data from LEP2, we constrain the possible size R of the extra dimension experimentally. A multi-parameter fit of all relevant input parameters leads to bounds for the compactification scale M=1/R in the range 4-6 TeV at the 2 sigma confidence level and shows how the mass of the Higgs boson is correlated with the size of an extra dimension. Considering a future linear e+e- collider, we outline the discovery potential for an extra dimension using the proposed TESLA specifications as an example. As a consistency check for the various models, we analyze Ward identities and the gauge boson equivalence theorem in W-pair production and find that gauge symmetry is preserved by a complex interplay of the Kaluza-Klein modes. In this context, we point out the close analogy between the traditional Higgs mechanism and mass generation for gauge bosons via compactification. Beyond the tree-level, the higher-dimensional models studied extensively in the literature and in the first part of this thesis have to be extended. We modify the models by the inclusion of brane kinetic terms which are required as counter terms. Again, we derive the corresponding 4D theory for the KK towers paying special attention to gauge fixing and spontaneous symmetry breaking. Finally, the phenomenological implications of the new brane kinetic terms are investigated in detail. / Bis hin zu den kleinsten Längenskalen, die bisher in Hochenergieexperimenten getestet werden konnten, lässt sich die Natur auf der Basis des vierdimensionalen Minkowski-Raums beschreiben. Dennoch kann man die aufregende Möglichkeit nicht ausschließen, dass bereits die nächste Generation von Beschleunigerexperimenten eine zusätzliche Struktur der Raumzeit aufdecken wird. Daher betrachten wir verschiedene Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik mit einer zusätzlichen Dimension im TeV-Bereich. Wir nehmen an, dass einige oder alle Higgs- und Eichbosonen in einer fünften, raumartigen Dimension propagieren können, während die fermionische Materie auf den gewöhnlichen Minkowski-Raum beschränkt bleibt. Durch Kompaktifizierung auf ein S^1/Z_2 Orbifold wird eine effektive vierdimensionale Theorie abgeleitet, in der sich die zusätzliche Raumzeitstruktur durch ein Spektrum von Kaluza-Klein (KK) Moden widerspiegelt. Dabei werden die untersuchten Modelle, ausgehend von der 5D Lagrangedichte, bis hin zu den Feynmanregeln für die KK Moden ausgearbeitet. Insbesondere zeigen wir die konsistente Verallgemeinerung der Rxi-Eichung und untersuchen das Wechselspiel von spontaner Symmetriebrechung und Kompaktifizierung. Um den Radius R der fünften Dimension durch Messungen einzuschränken, benutzen wir sowohl Daten aus Experimenten auf der Z-Boson-Resonanz als auch LEP2 Wirkunsquerschnitte. Bei 2 sigma Signifikanz finden wir für die verschiedenen Modelle als untere Schranke für die Kompaktifizierungsskala M=1/R etwa 4-6 TeV. Mit Hilfe eines Multiparameterfits werden auch Korrelationen zwischen der Kompaktifizierungsskala und der Masse des Higgs-Bosons aufgezeigt. Darüber hinaus wird am Beispiel des TESLA-Projektes das Entdeckungspotential eines zukünftigen e+e- Linearbeschleunigers für zusätzliche Raumzeitstruktur ausgelotet. Als Konsistenztest für die verschiedenen Modelle untersuchen wir Ward-Identitäten und das Eichboson-Äquivalenztheorem am Beispiel der W-Boson-Paarproduktion, in der ein komplexes Zusammenspiel der KK Moden die Eichinvarianz sicherstellt. Des Weiteren wird die enge Analogie zwischen dem traditionellen Higgs-Mechanismus und der Massenerzeugung für Eichbosonen durch Kompaktifizierung herausgearbeitet. Auf Einschleifen-Niveau zeigt sich schließlich, dass die einfachsten, im ersten Teil dieser Arbeit sowie in der Literatur eingehend untersuchten Modelle erweitert werden müssen. Daher beziehen wir lokalisierte kinetische Terme ein, die als Counterterme benötigt werden. Für die so erweiterten Modelle leiten wir wiederum die effektive 4D Theorie für die KK Moden ab und untersuchen insbesondere die Eichfixierung und spontane Symmetriebrechung. Abschließend bestimmen wir den Einfluss der neuen kinetischen Terme auf die Phänomenologie.

Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2005

Mannheim, Univ., Diss., 2003.

Universiẗat, Diss., 2002--München.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--München.

Techn. University, Diss., 2002--München.