Modelling electroweak interactions at lepton colliders — from the Z pole to the highest energies

Chociaż Model Standardowy doskonale opisuje wyniki pomiarów w zderzaczach cząstek na całym świecie, wiele pytań dotyczących historii Wszechświata — na przykład problem hierarchii, asymetria barionowa czy gęstość ciemnej materii — pozostaje otwartych. Aby się z nimi zmierzyć, społeczność fizyków cząstek zgadza się co do zasadności budowy zderzacza nowej generacji, który mógłby testować Model Standardowy z większą precyzją i potencjalnie odkryć odstępstwa od tej teorii. Przyszłe zderzacze leptonów, działające przy energiach od rezonansu Z aż po skalę teraelektronowoltów, mogłyby badać oddziaływania elektrosłabe na różne sposoby. Niniejsza rozprawa doktorska omawia wpływ poprawek radiacyjnych na modelowanie procesów elektrosłabych. Na początku rozprawa przedstawia niezbędne zagadnienia, w tym strukturę Model Standardowego, przyszłe zderzacze i ich możliwości fizyczne oraz generatory Monte Carlo, a następnie omawia trzy tematy. Po pierwsze, praca prezentuje metodę pomiaru elektrosłabych sprzężeń kwarków jako przykład pokazujący, jak należy modelować promieniowanie fotonów w analizach doświadczalnych. Oczekuje się, że przyszłe maszyny ope rujące przy rezonansie Z mogłyby poprawić obecną dokładność tego pomiaru o rząd wielkości. Po drugie, praca wprowadza formalizm faktoryzacji kolinearnej oraz analizuje jego zastosowanie w kontekście równoważnego przybliżenia bozonów wektorowych (ang. Equivalent Vector Boson Approximation) dla zderzeń w skali teraelektronowoltów. Rozprawa omawia także warunki, pod jakimi podejście to zadowalająco opisuje procesy fuzji bozonów. Po trzecie, praca przedstawia rozszerzenie tego formalizmu, które resumuje duże wkłady logarytmiczne, w ramach elektrosłabych funkcji rozkładu partonów (ang. Electroweak Parton Distribution Functions), a także jego techniczną implementację w generatorze Monte Carlo Whizard. Kilka omówionych dalej przykładów wskazuje, że podejście to ma szansę przyspieszyć obliczenia i poprawić precyzję pomiarów przy przyszłych zderzaczach.

Despite the Standard Model’s ability to describe collider data from all experiments conducted around the world, several questions about the history of the Universe, including the hierarchy problem, the baryon asymmetry, and the dark matter density, remain open. To address these unresolved issues, the particle physics community agrees on the need to construct a next-generation collider that could probe the Standard Model with higher accuracy and potentially reveal deviations from the predictions of this fundamental the ory. Future lepton colliders, operating at energies from the Z pole up to the multi-TeV scale, could probe the electroweak sector in various ways. In this thesis, the influence of radiative corrections on the modelling of electroweak processes is investigated. The thesis first introduces the necessary concepts, including the construction of the Standard Model, future collider proposals and their physics capabilities, and Monte Carlo generators. It then examines three topics. First, a method to measure the electroweak couplings of light quarks is presented as an example showing how processes with photon radiation should be modelled for experimental analyses. Projected results for different fa cilities operating at the Z pole improve current precision by an order of magnitude. Second, the framework of collinear factorisation is introduced, and its application in the form of the Equivalent Vector Boson Approximation for multi-TeV collisions is re-evaluated. It is shown under what conditions the approximated framework provides a good description of the full process. Third, an extension of the factorised approach that resums large logarith mic contributions is introduced within the framework of Electroweak Parton Distribution Functions, together with its implementation in the Monte Carlo generator Whizard. Several examples are presented, suggesting that this approach may be a promising way to speed up computations and improve the precision of measurements at future colliders