Yüksek enerjili hadron çarpıştırıcılarında aynı anda oluşan W ve Z bozonları için kuantum renk dinamiği (QCD) tahminleri
Quantum chromodynamics (QCD) predictions for the simultaneously produced W and Z bosons in high-energy hadron colliders
Yazar: BİLAL BAYRAM
Danışman: DOÇ. DR. KAMURAN DİLSİZ
Bingöl Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Yüksek Enerji ve Plazma Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada proton çarpışmaları sonucu Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ)'nın planlanan en yüksek enerjisi 14 TeV, BHÇ ile aynı tünelde fakat 27 TeV enerji ile başlatılacak olan Yüksek Enerjili BHÇ ve ileride kurulması planlanan ve 100 TeV'lik kütle merkez enerjisine sahip olacak dairesel çarpıştırıcı FCC'nin enerji değerlerinde eş zamanlı üretilen W ve Z bozonlarının yüksek mertebeli kuantum renk dinamiği tahminleri hesaplanmıştır. Hesaplamalar birçok parçacık üretimini bünyesinde barındıran MCFM Monte Carlo programı kullanılarak leading order (LO) ve next-to-leading order (NLO) mertebesine kadar yapılmıştır. W ve Z bozonlarının leptonik bozunumlarıda dikkate alınarak yapılan hesaplamalarda W ve Z oluşumunda seçilecek olan partonların doğru tahmininin yapılabilmesi için LHAPDF kütüphanesindeki parton dağılım fonksiyonları (PDF)'ndan NNPDF3.1, MMHT2014, MSTW2008 ve HERA2.0 parton dağılım fonksiyonları seçilmiştir. Daha sonra, seçilen PDF'ler ile elde edilen tesir kesiti sonuçları 14, 27 ve 100 TeV kütle merkez enerjilerinde karşılaştırılarak referans PDF (NNPDF3.1) seçilmiştir. Ayrıca, NNPDF3.1 PDF'si ile elde edilen 13 TeV kütle merkez enerjisindeki sonuçların aynı enerjide CMS işbirliği tarafından yayınlanmış sonuçlar ile karşılaştırılarak elde edilen NLO tesir kesiti sonuçlarının CMS sonuçları ile uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Daha sonra, NNPDF3.1 PDF'si kullanılarak 14, 27 ve 100 TeV kütle merkez enerjilerinde LO ve NLO tesir kesiti sonuçları elde edilmiştir. Sonuçların yanı sıra PDF, scale ve α_S hata payları hesaplanmıştır. PDF hata paylarının hesaplanması MCFM programı ile yapılmıştır. Scale hata payları renormalizasyon ve faktörizasyon değerlerinin seçilen referans değer olan W ve Z bozonlarının kütle toplamının iki katı ve yarısı alınarak hesaplanmıştır. Son olarak α_S hata payı α_S (M_Z )=0,118 değerinin 0,002 kadarlık pozitif ve negatif değerlerde değiştirilmesi sonucu elde edilmiştir. Böylece yüksek mertebeli kuantum renk dinamiği tahminlerinde düşük mertebeli LO'a göre daha küçük hata payları ile daha doğru sonuçların elde edildiği sonucuna varılmıştır. Son olarak, olay sayısı, entegre parlaklık ve tesir kesiti arasındaki ilişki kullanılarak 14, 27 ve 100 TeV kütle merkez enerjilerinde 13 TeV ile aynı istatistiği verecek olan data miktarı hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar W^(+) + Z kanalı için sırasıyla 14, 27 and 100 TeV enerjilerinde 57,62 fb^(-1), 24,87 fb^(-1), 5,53 fb^(-1)'dir.  W^(-) + Z kanalı için ise sırasıyla 14, 27 and 100 TeV enerjilerinde 56,86 fb^(-1), 22,18 fb^(-1), 4,32 fb^(-1)'dir. Bu sonuçlar daha yüksek enerjilerde daha az verinin daha düşük enerjilerle aynı istatistikleri sağladığını göstermektedir.

Abstract:
In this study, QCD predictions of simultaneously produced W and Z bosons were calculated at 14, 27 and 100 TeV center-of-mass energies since 14 TeV is the planned highest energy at the Large Hadron Collider, 27 TeV is the energy planned for the High Energy LHC (HE-LHC) and 100 TeV is the planned energy for the Future Circular Collider (FCC). All the predictions were calculated up to next-to-leading order (NLO) QCD using the MCFM Monte Carlo program. Four different patron distribution functions (PDFs) in the LHAPDF library were used to make the correct predictions while selection W and Z coming from the partons. The PDFs that are used in the calculations are NNPDF3.1, MMHT2014, MSTW2008 and HERA. A comparison of the QCD results that are obtained with these PDFs were performed and their consistency were tested. Among these PDFs, NNPDF3.1 were selected as refernce PDF and its QCD results at 13 TeV were compared with the CMS results that were mesured by the CMS collaboratio at the same center-of-mass energy. Then, LO and NLO cross-section results were obtained at 14, 27 and 100 TeV center of mass energies using NNPDF3.1 PDF. In addition to the QCD results, PDF, scale and α_S uncertainties were calculated. MCFM program were used fort he calculation of the PDF uncertainty. The scale unceratainties were calculated by taking twice and half of the mass sum of the selected reference value, the mass sum of the W and Z bosons, of the renormalization and factorization values. αS unceratainties were obtained by changing the value of αS (MZ) = 0.118 by 0.002. The results showed small unceratainties while the order of the QCD becomes higher. Finally, the amount of data that would give the same statistic with the data at 13 TeV center-of-mass energy were calculated at 14, 27 and 100 TeV center-of-mass energies by using the relationship between the number of events, integrated luminosity and the cross section. The results showed that we would need  57.62 fb^(-1), 24.87 fb^(-1),5.53 fb^(-1) data at 14, 27 and 100 TeV for W^(+) + Z channel and 56.86 fb^(-1), 22.18 fb^(-1), 4.32 fb^(-1) data at 14, 27 and 100 TeV for W^(-) + Z for channel to reach the same statistics with 13 TeV data. This shows that less data provide the same statistics while we reach the higher energies.