Top-quark pair production at hadron colliders

In this thesis we investigate several phenomenologically important properties of top-quark pair production at hadron colliders. We calculate double differential cross sections in two different kinematical setups, pair invariant-mass (PIM) and single-particle inclusive (1PI) kinematics. In pair invariant-mass kinematics we are able to present results for the double differential cross section with respect to the invariant mass of the top-quark pair and the top-quark scattering angle. Working in the threshold region, where the pair invariant mass M is close to the partonic center-of-mass energy sqrt{hat{s}}, we are able to factorize the partonic cross section into different energy regions. We use renormalization-group (RG) methods to resum large threshold logarithms to next-to-next-to-leading-logarithmic (NNLL) accuracy. On a technical level this is done using effective field theories, such as heavy-quark effective theory (HQET) and soft-collinear effective theory (SCET). The same techniques are applied when working in 1PI kinematics, leading to a calculation of the double differential cross section with respect to transverse-momentum pT and the rapidity of the top quark. We restrict the phase-space such that only soft emission of gluons is possible, and perform a NNLL resummation of threshold logarithms. The obtained analytical expressions enable us to precisely predict several observables, and a substantial part of this thesis is devoted to their detailed phenomenological analysis. Matching our results in the threshold regions to the exact ones at next-to-leading order (NLO) in fixed-order perturbation theory, allows us to make predictions at NLO+NNLL order in RG-improved, and at approximate next-to-next-to-leading order (NNLO) in fixed order perturbation theory. We give numerical results for the invariant mass distribution of the top-quark pair, and for the top-quark transverse-momentum and rapidity spectrum. We predict the total cross section, separately for both kinematics. Using these results, we analyze subleading contributions to the total cross section in 1PI and PIM originating from power corrections to the leading terms in the threshold expansions, and compare them to previous approaches. We later combine our PIM and 1PI results for the total cross section, this way eliminating uncertainties due to these corrections. The combined predictions for the total cross section are presented as a function of the top-quark mass in the pole, the minimal-subtraction (MS), and the 1S mass scheme. In addition, we calculate the forward-backward (FB) asymmetry at the Tevatron in the laboratory, and in the ttbar rest frames as a function of the rapidity and the invariant mass of the top-quark pair at NLO+NNLL. We also give binned results for the asymmetry as a function of the invariant mass and the rapidity difference of the ttbar pair, and compare those to recent measurements. As a last application we calculate the charge asymmetry at the LHC as a function of a lower rapidity cut-off for the top and anti-top quarks.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit mehreren phänomenologisch relevanten Eigenschaften der Top-Quark Paarproduktion an Hadronen-Beschleunigern. Wir berechnen doppelt differentielle Wirkungsquerschnitte mit Hilfe zweier unterschiedlicher kinematischer Rahmenbedingungen, “pair invariant-mass” (PIM) und “single-particle inclusive” (1PI) Kinematik. Innerhalb PIM sind wir in der Lage Ergebnisse für den doppelt differentiellen Wirkungsquerschnitt (WQ) bzgl. der invarianten Masse des Top-Antitop Paares und des Top-Quark Streuwinkels zu geben. In dem Schwellbereich wo die invariante Masse M des Top-Antitop Paares fast der partonischen Schwerpunktsenergie sqrt{hat{s}} entspricht, sind wir in der Lage den WQ in verschiedene Energiebereiche zu faktorisieren. Mit Methoden der Renormierungsgruppe (RG) resummieren wir numerisch große Logarithmen auf “next-to-next-to-leading- logarithmic” (NNLL) Ordnung. Um dies zu erzielen wenden wir effektive Feldtheorien wie “soft-collinear effective theory” (SCET) und “heavy-quark effective theory” (HQET) an. Mit den gleichen Methoden berechnen wir innerhalb der 1PI Kinematik den doppelt differentiellen WQ bzgl. des transversalen Impulses p⊥ und der Rapidität des Top-Quarks. Wird beschränken den Phasenraum so, dass nur Emissionen von niederenergetischen Gluonen möglich ist und resummieren Schwelbereichlogarithmen auf NNLL. Die analytischen Ausdrücke die wir erhalten ermöglichen es uns genaue Prognosen für mehrere Observablen zu machen und ein großer Teil dieser Arbeit beschäftigt sich damit diese im Detail zu studieren. Wir kombinieren unsere Schwellbereichresultate mit den allgemeingültigen “next-to-leading order” (NLO) Ergebnissen. Dies erlaubt es uns Vorhersagen auf NLO+NNLL in RG-verbesserter und auf approximierter “next-to-next-to-leading or- der” (NNLO) in “fixed order” Störungstheorie zu machen. Wir präsentieren Ergebnisse für das invariante-Masse Spektrum des Top-Antitop Paares sowie für das p⊥ und Rapiditäts Spektrum des Top-Quarks. Wir berechnen den totalen WQ getrennt in beiden kinematischen Rahmenbedingungen welches es uns ermöglicht die Relevanz nichtführender Beiträge im Schwellbereich innerhalb PIM und 1PI zu analysieren und mit vorherigen Berechnungen zu vergleichen. Gegen Ende dieser Arbeit kombinieren wir unsere PIM und 1PI Vorhersagen für den totalen WQ was unter anderem zu einer Reduktion des systematischen Fehlers durch die oben genannten Beiträge führt. Die kombinierten Ergebnisse für den totalen WQ werden als Funktion der Top-Quark Masse im “pole”, “minimal-subtraktion” und 1S Schema gegeben. Des Weiteren Berechnen wir die “forward-backward” (FB) Asymmetrie am Tevatron im Laborsystem und im ttbar Ruhesystem als Funktion der Rapidität sowie der invarianten Masse des Top-Antitop Paares auf NLO+NNLL. Unsere Prognosen für die Asymmetrie als Funktion der invarianten Masse und der Rapiditätsdifferenz des Top-Antitop Paares unterteilen wir in verschiedene Wertebereiche und vergleichen dies mit neuen Messungen. Als letzte Anwendung unserer analytischen Resultate berechnen wir die Ladungs-Asymmetrie am LHC als Funktion einer unteren Grenze der Rapidität des Top und Antitop Quarks.