Forest Formulas for the LHC

大型强子对撞机的森林公式

基本信息

  • 批准号:
    MR/S03479X/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 87.71万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Fellowship
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2020 至 无数据
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

One of the greatest scientific events of the century is the discovery of the Higgs boson by CERN's Large Hadron Collider (LHC). Yet the LHCs discovery potential has by no means been exhausted as collisions are now happening at energies never achieved before by mankind. With more and more data being accumulated over the next 15 years we will obtain measurements at previously unreached levels of precision. This data will put stringent new tests on the prevalent Standard Model (SM) of particle physics. While the success of the SM is the greatest achievement of particle physics to date, it also poses many mysteries to physicists. For instance, the SM does not explain the observed matter-antimatter asymmetry, or the abundances of dark matter and dark energy in the universe. To overcome these problems new models, featuring as exotic ideas as supersymmetry or extra dimensions, have been proposed. So far none of these models could be detected in experiments, but beyond-the-SM physics may yet be hiding at the energy currently explored by the LHC.To distinguish new physics from the SM, theoretical calculations must match the accuracy of the experimental measurements. This poses a tremendous challenge since it is still impossible to calculate general observables exactly in quantum field theory (the theoretical framework upon which the SM stands). Instead, theoretical physicists resort to what is called the perturbative expansion; this is a systematic way to expand the complicated functions, which describe the scattering rates, in a series in the interaction strength, where each successive term is smaller than the preceding. By calculating enough terms in this expansion one can thus obtain increasingly reliable results. Especially in quantum chromodynamics (QCD), which governs the dynamics of the constituent quarks and gluons of the proton, the convergence of this expansion is relatively slow and in certain cases computations with three or four terms are required. The problem with this approach is that the Feynman diagrams, which appear in the individual terms of this expansion, rapidly increase in both number and complexity. To make matters worse these Feynman diagrams also contain complicated infrared (IR) and ultraviolet (UV) divergences (singularities) which are of long- and short-distance origin.While the problem of UV divergences has been solved already half a century ago by the procedure of renormalisation the situation is very different for the IR divergences. To calculate the higher order effects in QCD requires the calculation of two separate contributions: real corrections (due to emissions of observable particles) and virtual (loop or quantum) corrections. While it is well known that the divergences of the real emission corrections cancel with those of the virtual corrections, the cancellations only happen after all the different loop and phase-space integrals have been performed.A rigorous approach to renormalisation is given by the Bogoliubov-Parasiuk-Hepp-Zimmermann (BPHZ) scheme also known as the "forest formula", where the term forest refers to sets of nested or disjoint divergent subgraphs. The key idea of this project is to establish and use a "generalised forest formula" for the subtraction of the troublesome IR divergences. While this proposition is far from trivial, a breakthrough which I have made in my recent research now gives strong evidence for its correctness. The future potential of this approach is great as it promises an in-principle general solution for calculating scattering rates of an arbitrary number of final-state particles and arbitrary orders in the perturbative expansion. One important objective of the proposed research is to implement this idea in a dedicated code-library and apply it in the calculations of higher-order QCD corrections of key importance for the LHC; such as the production of two and three jets at the respective 4th and 3rd order in the perturbative expansion.
本世纪最伟大的科学事件之一是欧洲核子研究组织的大型强子对撞机(LHC)发现希格斯玻色子。然而,大型强子对撞机的发现潜力尚未耗尽,因为碰撞现在正在以人类以前从未达到过的能量发生。随着未来 15 年积累的数据越来越多,我们将获得以前未达到的精度水平的测量结果。这些数据将对流行的粒子物理学标准模型(SM)进行严格的新测试。虽然SM的成功是粒子物理学迄今为止最伟大的成就,但它也给物理学家带来了许多谜团。例如,SM 无法解释观察到的物质-反物质不对称性,或者宇宙中暗物质和暗能量的丰度。为了克服这些问题,人们提出了新的模型,其特点是超对称或额外维度等奇异的想法。到目前为止,这些模型都无法在实验中检测到,但超越 SM 的物理现象可能隐藏在 LHC 当前探索的能量中。为了区分新物理与 SM,理论计算必须与实验测量的准确性相匹配。这带来了巨大的挑战,因为在量子场论(SM 所依据的理论框架)中精确计算一般可观测量仍然是不可能的。相反,理论物理学家诉诸所谓的微扰展开。这是一种系统地扩展复杂函数的方法,这些函数描述了相互作用强度的一系列散射率,其中每个连续项都小于前面的项。通过在此展开中计算足够的项,我们可以获得越来越可靠的结果。特别是在控制质子夸克和胶子动力学的量子色动力学(QCD)中,这种展开式的收敛相对较慢,在某些情况下需要三项或四项计算。这种方法的问题在于,以这种展开式的各个项出现的费曼图的数量和复杂性都迅速增加。更糟糕的是,这些费曼图还包含复杂的红外 (IR) 和紫外 (UV) 发散(奇点),这些发散源于长距离和短距离。而紫外线发散问题在半个世纪前就已经被解决了。在重正化过程中,IR 散度的情况非常不同。要计算 QCD 中的高阶效应,需要计算两个单独的贡献:真实校正(由于可观察粒子的发射)和虚拟(环或量子)校正。虽然众所周知,实际发射校正的分歧与虚拟校正的分歧相抵消,但这种抵消仅在执行了所有不同的循环和相空间积分之后才会发生。Bogoliubov-给出了严格的重整化方法 - Parasiuk-Hepp-Zimmermann (BPHZ) 方案也称为“森林公式”,其中术语森林是指嵌套或不相交发散子图的集合。该项目的关键思想是建立并使用“广义森林公式”来减去麻烦的 IR 发散。虽然这个命题绝非微不足道,但我在最近的研究中取得的突破现在为它的正确性提供了强有力的证据。这种方法的未来潜力是巨大的,因为它有望为计算任意数量的最终状态粒子和微扰展开中的任意阶的散射率提供原则上通用的解决方案。拟议研究的一个重要目标是在专用代码库中实现这一想法,并将其应用于对大型强子对撞机至关重要的高阶 QCD 校正的计算中;例如在微扰膨胀中分别在第四阶和第三阶产生两个和三个射流。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Non-linear non-renormalization theorems
非线性非重整化定理
  • DOI:
    10.1007/jhep08(2023)080
  • 发表时间:
    2023-03-13
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Weiguang Cao;F. Herzog;Tom Melia;Jasper Roosmale Nepveu
  • 通讯作者:
    Jasper Roosmale Nepveu
Four-loop splitting functions in QCD - The gluon-to-quark case
QCD 中的四环分裂函数 - 胶子到夸克的情况
  • DOI:
    http://dx.10.1016/j.physletb.2023.138215
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.4
  • 作者:
    Falcioni G
  • 通讯作者:
    Falcioni G
The on-shell expansion: from Landau equations to the Newton polytope
壳上展开式:从朗道方程到牛顿多胞形
  • DOI:
    http://dx.10.48550/arxiv.2211.14845
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Gardi Einan
  • 通讯作者:
    Gardi Einan
Renormalization and non-renormalization of scalar EFTs at higher orders
高阶标量 EFT 的重整化和非重整化
  • DOI:
    10.1007/jhep09(2021)014
  • 发表时间:
    2021-05-26
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Weiguang Cao;F. Herzog;Tom Melia;Jasper Roosmale Nepveu
  • 通讯作者:
    Jasper Roosmale Nepveu
Four-loop large-n_f contributions to the non-singlet structure functions F_2 and F_L
四循环大 n_f 对非单重结构函数 F_2 和 F_L 的贡献
  • DOI:
    10.1007/jhep03(2023)183
  • 发表时间:
    2022-11-29
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    A. Basdew;A. Pelloni;F. Herzog;A. Vogt
  • 通讯作者:
    A. Vogt
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    A. Heuck;Sonja Schitter;M. Suskiewicz;R. Kurzbauer;Juliane Kley;A. Schleiffer;Pascaline Rombaut;Franz Herzog;T. Clausen
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    T. Clausen
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    M. Hons;Pim J. Huis in ’t Veld;Jan Kaesler;Pascaline Rombaut;A. Schleiffer;Franz Herzog;H. Stark;J. Peters
  • 通讯作者:
    J. Peters
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Rrn 3 调节的 RNA 聚合酶 I 启动和细胞生长的分子基础
  • DOI:
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    C. Blattner;Stefan Jennebach;Franz Herzog;A. Mayer;A. Cheung;G. Witte;K. Lorenzen;K. Hopfner;A. Heck;R. Aebersold;P. Cramer
  • 通讯作者:
    P. Cramer

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