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.

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.