Effetti della Massa del Charm Finita nella Produzione di W+c a LHC

In this thesis, we present the computation of the real NLO QCD correction to the W + c production process at √s = 13 GeV, including the full charm-quark mass effects. The aim of the thesis is to describe the steps that are necessary to build a Monte Carlo event generator for the calculation of fixed-order cross-sections at NLO accuracy in QCD, implementing the most widely used experimental requirements, such as jet reconstruction, kinematic cuts, and flavoured hadron identification. The flavoured identification is simulated by placing a pT cut on the reconstructed jet containing the charm quark, applying a non-perturbative fragmentation function to predict the hadron momentum and imposing a pT cut on the hadron. We use the dipole subtraction method to handle the infrared divergences that arise in the real-emission contributions, and we validate our implementation by performing several checks, including the verification of the cancellation of singularities in the soft and collinear limits. To estimate the impact of the charm mass effects, we also compute the logarithmic mass corrections for the specific case of W + charm + anticharm production, and we fit the power-law mass corrections for this process. They turn out to be of ∼ 2.6%, i.e. comparable with the current PDF uncertainties, and thus giving motivation for including power mass corrections in the full W + c NLO calculation in future works. Throughout the thesis, we discuss the necessary theoretical concepts, such as the factorization theorem, the infrared structure of QCD amplitudes, the evolution of the Parton Density Functions, the subtraction methods for NLO QCD calculations, the treatment of a heavy flavour in the final state, the perturbative fragmentation functions and the jet algorithms. We also describe the implementation details of our Monte Carlo event generator, including the phase-space generation, the dipole subtraction terms, and the numerical integration techniques. Finally, we present our numerical results for the W + c production, and we describe the analysis in the massless limit for different choices of kinematic cuts, both at leading order and for the real NLO QCD corrections.

In questa tesi presentiamo il calcolo della correzione reale NLO di QCD al processo di produzione di W + c a √s = 13 GeV, includendo gli effetti completi della massa del quark charm. L’obiettivo del lavoro è descrivere i passaggi necessari per costruire un generatore di eventi Monte Carlo per il calcolo di sezioni d’urto a ordine fisso con accuratezza NLO in QCD, implementando i requisiti sperimentali più comunemente utilizzati, come la ricostruzione dei jet, i tagli cinematici e l’identificazione di adroni contenenti quark charm. L’identificazione del sapore viene simulata imponendo un taglio sul momento trasverso (pT) dell jet ricostruito contenente il quark charm, applicando una funzione di frammentazione non perturbativa per prevedere il momento dell’adrone e imponendo un ulteriore taglio sul Pt dell’adrone stesso. Per gestire le divergenze infrarosse che emergono nei contributi di emissione reale utilizziamo il metodo della sottrazione a dipoli, e validiamo la nostra implementazione eseguendo diversi controlli, tra cui la verifica della cancellazione delle singolarità nei limiti soft e collineare. Per stimare l’impatto degli effetti di massa del charm, calcoliamo inoltre le correzioni logaritmiche di massa per il caso specifico della produzione di W + charm + anticharm, e adattiamo le correzioni di massa con legge di potenza per questo processo. Queste risultano dell’ordine di ∼ 2.6%, ovvero comparabili con le attuali incertezze selle PDF, fornendo quindi una motivazione per includere le correzioni di massa a potenza nel calcolo completo NLO di W + c in lavori futuri. Nel corso della tesi discutiamo i concetti teorici necessari, come il teorema di fattorizzazione, la struttura infrarossa delle ampiezze QCD, l’evoluzione delle PDF, i metodi di sottrazione per i calcoli al NLO in QCD, il trattamento di un quark pesante nello stato finale, le funzioni di frammentazione perturbative e gli algoritmi di jet. Descriviamo inoltre i dettagli dell’implementazione del nostro generatore di eventi Monte Carlo, inclusi la generazione dello spazio delle fasi, i termini di sottrazione a dipolo e le tecniche di integrazione numerica. Infine, presentiamo i nostri risultati numerici per la produzione di W + c e descriviamo l’analisi nel limite massless per diverse scelte di tagli cinematici, sia al Leading Order sia per le correzioni reali NLO di QCD.