title: Advanced Techniques in Collider Physics: Precision Predictions and Integral Evaluations at Two Loops
Creators: name: Xu, Yingxuan
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2025
Subjects: subject: Kolliderphysik
subject: Quantenchromodynamik (QCD)
subject: Next-to-Next-to-Leading Order (NNLO)
subject: Berechnungswerkzeuge
subject: Collider Physics
subject: Quantum Chromodynamics (QCD)
subject: Next-to-Next-to-Leading Order (NNLO)
subject: Computational Tools
subject: 539 Moderne Physik

description: Teilchenbeschleuniger haben sich seit den 1960er Jahren von einem Randgebiet zu einem Schwerpunkt der Hochenergiephysik entwickelt. Maschinen wie der Large Hadron Collider (LHC) liefern hohe Schwerpunktenergien, die Tests des Standardmodells und die Erforschung neuer Physik ermöglichen. Die in den 1970er Jahren entwickelte Quantenchromodynamik (QCD) ist ein Eckpfeiler des Standardmodells und beschreibt Quark-Gluon-Wechselwirkungen, die Hadronen wie Protonen und Neutronen bilden. Mit steigenden LHC-Energien werden QCD-Berechnungen komplexer, was präzise theoretische Vorhersagen für den Vergleich mit Experimenten erfordert. Das Verständnis von QCD-Prozessen ist entscheidend, um starke Wechselwirkungen zu erfassen und neue Physik jenseits des Standardmodells zu erkennen. Unsere Studie umfasst drei Bereiche. Erstens werten wir die Next-to-Next-to-Leading Order (NNLO) Farbamplitude für Z/γ → g + g + q + q numerisch aus, wichtig für präzise α_s-Messungen in zukünftigen Collider-Experimenten. Zweitens berechnen wir drei Familien von zweischleifigen, masselosen Sechs-Punkt-Integralen in dimensionaler Regularisierung, dargestellt als einfache Integrale über klassische Polylogarithmen. Dies ist die erste analytische Berechnung von Zweischleifen-Masterintegralen mit acht Skalen. NNLO-Genauigkeit bei Prozessen mit vier oder mehr Jets bleibt schwierig wegen der Komplexität dieser Berechnungen, was die Bedeutung unserer Arbeit für Collider-Vorhersagen unterstreicht. Schließlich stellen wir Neat-IBP+Kira vor, ein neues Werkzeug zur Integration-by-Parts (IBP)-Reduktion für präzise Collider-Berechnungen. Mit Methoden wie Syzygie und Spanning-Cuts verbessert es Speichereffizienz und Rechenzeit, ein Fortschritt in Mehrschleifentechniken.
description: Particle colliders have evolved from a less prominent field in the 1960s to a central focus of high-energy physics. Machines like the Large Hadron Collider (LHC) offer high center-of-mass energies, enabling tests of the Standard Model and exploration of new physics. Developed in the 1970s, Quantum Chromodynamics (QCD) is a cornerstone of the Standard Model, describing quark-gluon interactions that form hadrons such as protons and neutrons. As LHC energies increase, QCD calculations become more complex, necessitating precise theoretical predictions for experimental comparison. Understanding QCD processes is key to advancing our grasp of strong interactions and detecting new physics beyond the Standard Model. Our study is divided into three main areas. First, we numerically evaluate the Next-to-Next-to-Leading Order (NNLO) leading-color amplitude for Z/γ → g + g + q + q, crucial for precise α_s measurements in future collider experiments. Second, we compute three families of two-loop six-point massless integrals in dimensional regularization, expressed as one-fold integrals over classical polylogarithms. This is the first analytic calculation of two-loop master integrals with eight scales. Achieving NNLO accuracy for processes with four or more jets remains challenging due to the complexity of these two-loop calculations, emphasizing our work’s role in enhancing collider physics predictions. Finally, we present Neat-IBP+Kira, a novel Integration by Parts (IBP) reduction tool designed for high-precision collider physics calculations. Using advanced methods like syzygy and spanning-cuts, it improves memory efficiency and reduces computational time, marking a significant step forward in multi-loop techniques.