Applications of SCET to the pair production of supersymmetric particles at hadron colliders

In this thesis we investigate the phenomenology of supersymmetric particles at hadron colliders beyond next-to-leading order (NLO) in perturbation theory. We discuss the foundations of Soft-Collinear Effective Theory (SCET) and, in particular, we explicitly construct the SCET Lagrangian for QCD. As an example, we discuss factorization and resummation for the Drell-Yan process in SCET. We use techniques from SCET to improve existing calculations of the production cross sections for slepton-pair production and top-squark-pair production at hadron colliders. As a first application, we implement soft-gluon resummation at next-to-next-to-next-to-leading logarithmic order (NNNLL) for slepton-pair production in the minimal supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM). This approach resums large logarithmic corrections arising from the dynamical enhancement of the partonic threshold region caused by steeply falling parton luminosities. We evaluate the resummed invariant-mass distribution and total cross section for slepton-pair production at the Tevatron and LHC and we match these results, in the threshold region, onto NLO fixed-order calculations. As a second application we present the most precise predictions available for top-squark-pair production total cross sections at the LHC. These results are based on approximate NNLO formulas in fixed-order perturbation theory, which completely determine the coefficients multiplying the singular plus distributions. The analysis of the threshold region is carried out in pair invariant mass (PIM) kinematics and in single-particle inclusive (1PI) kinematics. We then match our results in the threshold region onto the exact fixed-order NLO results and perform a detailed numerical analysis of the total cross section.

Dynamic development of hydrofractures

Natürliche hydraulische Bruchbildung ist in allen Bereichen der Erdkruste ein wichtiger und stark verbreiteter Prozess. Sie beeinflusst die effektive Permeabilität und Fluidtransport auf mehreren Größenordnungen, indem sie hydraulische Konnektivität bewirkt. Der Prozess der Bruchbildung ist sowohl sehr dynamisch als auch hoch komplex. Die Dynamik stammt von der starken Wechselwirkung tektonischer und hydraulischer Prozesse, während sich die Komplexität aus der potentiellen Abhängigkeit der poroelastischen Eigenschaften von Fluiddruck und Bruchbildung ergibt. Die Bildung hydraulischer Brüche besteht aus drei Phasen: 1) Nukleation, 2) zeitabhängiges quasi-statisches Wachstum so lange der Fluiddruck die Zugfestigkeit des Gesteins übersteigt, und 3) in heterogenen Gesteinen der Einfluss von Lagen unterschiedlicher mechanischer oder sedimentärer Eigenschaften auf die Bruchausbreitung. Auch die mechanische Heterogenität, die durch präexistierende Brüche und Gesteinsdeformation erzeugt wird, hat großen Einfluß auf den Wachstumsverlauf. Die Richtung der Bruchausbreitung wird entweder durch die Verbindung von Diskontinuitäten mit geringer Zugfestigkeit im Bereich vor der Bruchfront bestimmt, oder die Bruchausbreitung kann enden, wenn der Bruch auf Diskontinuitäten mit hoher Festigkeit trifft. Durch diese Wechselwirkungen entsteht ein Kluftnetzwerk mit komplexer Geometrie, das die lokale Deformationsgeschichte und die Dynamik der unterliegenden physikalischen Prozesse reflektiert. rnrnNatürliche hydraulische Bruchbildung hat wesentliche Implikationen für akademische und kommerzielle Fragestellungen in verschiedenen Feldern der Geowissenschaften. Seit den 50er Jahren wird hydraulisches Fracturing eingesetzt, um die Permeabilität von Gas und Öllagerstätten zu erhöhen. Geländebeobachtungen, Isotopenstudien, Laborexperimente und numerische Analysen bestätigen die entscheidende Rolle des Fluiddruckgefälles in Verbindung mit poroelastischen Effekten für den lokalen Spannungszustand und für die Bedingungen, unter denen sich hydraulische Brüche bilden und ausbreiten. Die meisten numerischen hydromechanischen Modelle nehmen für die Kopplung zwischen Fluid und propagierenden Brüchen vordefinierte Bruchgeometrien mit konstantem Fluiddruck an, um das Problem rechnerisch eingrenzen zu können. Da natürliche Gesteine kaum so einfach strukturiert sind, sind diese Modelle generell nicht sonderlich effektiv in der Analyse dieses komplexen Prozesses. Insbesondere unterschätzen sie die Rückkopplung von poroelastischen Effekten und gekoppelte Fluid-Festgestein Prozesse, d.h. die Entwicklung des Porendrucks in Abhängigkeit vom Gesteinsversagen und umgekehrt.rnrnIn dieser Arbeit wird ein zweidimensionales gekoppeltes poro-elasto-plastisches Computer-Model für die qualitative und zum Teil auch quantitativ Analyse der Rolle lokalisierter oder homogen verteilter Fluiddrücke auf die dynamische Ausbreitung von hydraulischen Brüchen und die zeitgleiche Evolution der effektiven Permeabilität entwickelt. Das Programm ist rechnerisch effizient, indem es die Fluiddynamik mittels einer Druckdiffusions-Gleichung nach Darcy ohne redundante Komponenten beschreibt. Es berücksichtigt auch die Biot-Kompressibilität poröser Gesteine, die implementiert wurde um die Kontrollparameter in der Mechanik hydraulischer Bruchbildung in verschiedenen geologischen Szenarien mit homogenen und heterogenen Sedimentären Abfolgen zu bestimmen. Als Resultat ergibt sich, dass der Fluiddruck-Gradient in geschlossenen Systemen lokal zu Störungen des homogenen Spannungsfeldes führen. Abhängig von den Randbedingungen können sich diese Störungen eine Neuausrichtung der Bruchausbreitung zur Folge haben kann. Durch den Effekt auf den lokalen Spannungszustand können hohe Druckgradienten auch schichtparallele Bruchbildung oder Schlupf in nicht-entwässerten heterogenen Medien erzeugen. Ein Beispiel von besonderer Bedeutung ist die Evolution von Akkretionskeilen, wo die große Dynamik der tektonischen Aktivität zusammen mit extremen Porendrücken lokal starke Störungen des Spannungsfeldes erzeugt, die eine hoch-komplexe strukturelle Entwicklung inklusive vertikaler und horizontaler hydraulischer Bruch-Netzwerke bewirkt. Die Transport-Eigenschaften der Gesteine werden stark durch die Dynamik in der Entwicklung lokaler Permeabilitäten durch Dehnungsbrüche und Störungen bestimmt. Möglicherweise besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Bildung von Grabenstrukturen und großmaßstäblicher Fluid-Migration. rnrnDie Konsistenz zwischen den Resultaten der Simulationen und vorhergehender experimenteller Untersuchungen deutet darauf hin, dass das beschriebene numerische Verfahren zur qualitativen Analyse hydraulischer Brüche gut geeignet ist. Das Schema hat auch Nachteile wenn es um die quantitative Analyse des Fluidflusses durch induzierte Bruchflächen in deformierten Gesteinen geht. Es empfiehlt sich zudem, das vorgestellte numerische Schema um die Kopplung mit thermo-chemischen Prozessen zu erweitern, um dynamische Probleme im Zusammenhang mit dem Wachstum von Kluftfüllungen in hydraulischen Brüchen zu untersuchen.

Diskontinuierliche Galerkin-Verfahren für die operationelle Wettervorhersage

In dieser Arbeit wird ein neuer Dynamikkern entwickelt und in das bestehendernnumerische Wettervorhersagesystem COSMO integriert. Für die räumlichernDiskretisierung werden diskontinuierliche Galerkin-Verfahren (DG-Verfahren)rnverwendet, für die zeitliche Runge-Kutta-Verfahren. Hierdurch ist ein Verfahrenrnhoher Ordnung einfach zu realisieren und es sind lokale Erhaltungseigenschaftenrnder prognostischen Variablen gegeben. Der hier entwickelte Dynamikkern verwendetrngeländefolgende Koordinaten in Erhaltungsform für die Orographiemodellierung undrnkoppelt das DG-Verfahren mit einem Kessler-Schema für warmen Niederschlag. Dabeirnwird die Fallgeschwindigkeit des Regens, nicht wie üblich implizit imrnKessler-Schema diskretisiert, sondern explizit im Dynamikkern. Hierdurch sindrndie Zeitschritte der Parametrisierung für die Phasenumwandlung des Wassers undrnfür die Dynamik vollständig entkoppelt, wodurch auch sehr große Zeitschritte fürrndie Parametrisierung verwendet werden können. Die Kopplung ist sowohl fürrnOperatoraufteilung, als auch für Prozessaufteilung realisiert.rnrnAnhand idealisierter Testfälle werden die Konvergenz und die globalenrnErhaltungseigenschaften des neu entwickelten Dynamikkerns validiert. Die Massernwird bis auf Maschinengenauigkeit global erhalten. Mittels Bergüberströmungenrnwird die Orographiemodellierung validiert. Die verwendete Kombination ausrnDG-Verfahren und geländefolgenden Koordinaten ermöglicht die Behandlung vonrnsteileren Bergen, als dies mit dem auf Finite-Differenzenverfahren-basierendenrnDynamikkern von COSMO möglich ist. Es wird gezeigt, wann die vollernTensorproduktbasis und wann die Minimalbasis vorteilhaft ist. Die Größe desrnEinflusses auf das Simulationsergebnis der Verfahrensordnung, desrnParametrisierungszeitschritts und der Aufteilungsstrategie wirdrnuntersucht. Zuletzt wird gezeigt dass bei gleichem Zeitschritt die DG-Verfahrenrnaufgrund der besseren Skalierbarkeit in der Laufzeit konkurrenzfähig zurnFinite-Differenzenverfahren sind.

Alternative derivative expansion in Functional RG and application

We give a brief review of the Functional Renormalization method in quantum field theory, which is intrinsically non perturbative, in terms of both the Polchinski equation for the Wilsonian action and the Wetterich equation for the generator of the proper verteces. For the latter case we show a simple application for a theory with one real scalar field within the LPA and LPA' approximations. For the first case, instead, we give a covariant "Hamiltonian" version of the Polchinski equation which consists in doing a Legendre transform of the flow for the corresponding effective Lagrangian replacing arbitrary high order derivative of fields with momenta fields. This approach is suitable for studying new truncations in the derivative expansion. We apply this formulation for a theory with one real scalar field and, as a novel result, derive the flow equations for a theory with N real scalar fields with the O(N) internal symmetry. Within this new approach we analyze numerically the scaling solutions for N=1 in d=3 (critical Ising model), at the leading order in the derivative expansion with an infinite number of couplings, encoded in two functions V(phi) and Z(phi), obtaining an estimate for the quantum anomalous dimension with a 10% accuracy (confronting with Monte Carlo results).

Study of the Compressive Strength of Aluminum Curved Elements

Currently, the Specification for Aluminum Structures (Aluminum Association, 2010) shows thin-walled aluminum plate sections with radii greater than eight inches have a lower compressive strength capacity than a flat plate with the same width and thickness. This inconsistency with intuition, which suggests any degree of folding a plate should increase its elastic buckling strength, inspired this study. A wide range of curvatures are studied—from a nearly flat plate to semi-circular. To quantify the curvature, a single non-dimensional parameter is used to represent all combinations of width, thickness and radius. Using the finite strip method (CU-FSM), elastic local buckling stresses are investigated. Using the ratio of stress values of curved plates compared to flat plates of the same size, equivalent plate-buckling coefficients are calculated. Using this data, nonlinear regression analyses are performed to develop closed form equations for five different edge support conditions. These equations can be used to calculate the elastic critical buckling stress for any curved aluminum section when the geometric properties (width, thickness, and radius) and the material properties (elastic modulus and Poisson’s ratio) are known. This procedure is illustrated in examples, each showing the applicability of the derived equations to geometries other than those investigated in this study and also providing comparisons with theoretically exact numerical analysis results.

Bioconductor: Open software development for computational biology and bioinformatics

The Bioconductor project is an initiative for the collaborative creation of extensible software for computational biology and bioinformatics. We detail some of the design decisions, software paradigms and operational strategies that have allowed a small number of researchers to provide a wide variety of innovative, extensible, software solutions in a relatively short time. The use of an object oriented programming paradigm, the adoption and development of a software package system, designing by contract, distributed development and collaboration with other projects are elements of this project's success. Individually, each of these concepts are useful and important but when combined they have provided a strong basis for rapid development and deployment of innovative and flexible research software for scientific computation. A primary objective of this initiative is achievement of total remote reproducibility of novel algorithmic research results.

Statistical Analyses and Reproducible Research

For various reasons, it is important, if not essential, to integrate the computations and code used in data analyses, methodological descriptions, simulations, etc. with the documents that describe and rely on them. This integration allows readers to both verify and adapt the statements in the documents. Authors can easily reproduce them in the future, and they can present the document's contents in a different medium, e.g. with interactive controls. This paper describes a software framework for authoring and distributing these integrated, dynamic documents that contain text, code, data, and any auxiliary content needed to recreate the computations. The documents are dynamic in that the contents, including figures, tables, etc., can be recalculated each time a view of the document is generated. Our model treats a dynamic document as a master or ``source'' document from which one can generate different views in the form of traditional, derived documents for different audiences. We introduce the concept of a compendium as both a container for the different elements that make up the document and its computations (i.e. text, code, data, ...), and as a means for distributing, managing and updating the collection. The step from disseminating analyses via a compendium to reproducible research is a small one. By reproducible research, we mean research papers with accompanying software tools that allow the reader to directly reproduce the results and employ the methods that are presented in the research paper. Some of the issues involved in paradigms for the production, distribution and use of such reproducible research are discussed.

A graph theoretic approach to testing associations between disparate sources of functional genomic data

The last few years have seen the advent of high-throughput technologies to analyze various properties of the transcriptome and proteome of several organisms. The congruency of these different data sources, or lack thereof, can shed light on the mechanisms that govern cellular function. A central challenge for bioinformatics research is to develop a unified framework for combining the multiple sources of functional genomics information and testing associations between them, thus obtaining a robust and integrated view of the underlying biology. We present a graph theoretic approach to test the significance of the association between multiple disparate sources of functional genomics data by proposing two statistical tests, namely edge permutation and node label permutation tests. We demonstrate the use of the proposed tests by finding significant association between a Gene Ontology-derived "predictome" and data obtained from mRNA expression and phenotypic experiments for Saccharomyces cerevisiae. Moreover, we employ the graph theoretic framework to recast a surprising discrepancy presented in Giaever et al. (2002) between gene expression and knockout phenotype, using expression data from a different set of experiments.

Differential Expression with the Bioconductor Project

A basic, yet challenging task in the analysis of microarray gene expression data is the identification of changes in gene expression that are associated with particular biological conditions. We discuss different approaches to this task and illustrate how they can be applied using software from the Bioconductor Project. A central problem is the high dimensionality of gene expression space, which prohibits a comprehensive statistical analysis without focusing on particular aspects of the joint distribution of the genes expression levels. Possible strategies are to do univariate gene-by-gene analysis, and to perform data-driven nonspecific filtering of genes before the actual statistical analysis. However, more focused strategies that make use of biologically relevant knowledge are more likely to increase our understanding of the data.

Posterior Simulation in the Generalized Linear Model with Semiparmetric Random Effects

Generalized linear mixed models with semiparametric random effects are useful in a wide variety of Bayesian applications. When the random effects arise from a mixture of Dirichlet process (MDP) model, normal base measures and Gibbs sampling procedures based on the Pólya urn scheme are often used to simulate posterior draws. These algorithms are applicable in the conjugate case when (for a normal base measure) the likelihood is normal. In the non-conjugate case, the algorithms proposed by MacEachern and Müller (1998) and Neal (2000) are often applied to generate posterior samples. Some common problems associated with simulation algorithms for non-conjugate MDP models include convergence and mixing difficulties. This paper proposes an algorithm based on the Pólya urn scheme that extends the Gibbs sampling algorithms to non-conjugate models with normal base measures and exponential family likelihoods. The algorithm proceeds by making Laplace approximations to the likelihood function, thereby reducing the procedure to that of conjugate normal MDP models. To ensure the validity of the stationary distribution in the non-conjugate case, the proposals are accepted or rejected by a Metropolis-Hastings step. In the special case where the data are normally distributed, the algorithm is identical to the Gibbs sampler.

Robust Inferences For Covariate Effects On Survival Time With Censored Linear Regression Models

Various inference procedures for linear regression models with censored failure times have been studied extensively. Recent developments on efficient algorithms to implement these procedures enhance the practical usage of such models in survival analysis. In this article, we present robust inferences for certain covariate effects on the failure time in the presence of "nuisance" confounders under a semiparametric, partial linear regression setting. Specifically, the estimation procedures for the regression coefficients of interest are derived from a working linear model and are valid even when the function of the confounders in the model is not correctly specified. The new proposals are illustrated with two examples and their validity for cases with practical sample sizes is demonstrated via a simulation study.