Next-to-next-to-leading order predictions for diboson production in hadronic scattering combined with parton showers

In this work, I present the implementations of two processes of electroweak (EW) boson pair production from hadronic scattering within two different Monte Carlo event generators at next-to-next-to-leading order (NNLO) in quantum chromodynamics (QCD) combined with parton showers (PS). In the first part of the work, I discuss the implementation of the process of production of two same-flavor opposite-charge pairs of massless leptons from proton-proton scattering within the Geneva Monte Carlo event generator. After briefly introducing the Geneva method, I provide a detailed description of two of its newly-implemented features. After passing the events through the Pythia8 parton shower, I finally show several distributions of phenomenological interest and compare them with the data from the ATLAS and CMS experiments at the Large Hadron Collider (LHC). The Geneva event generator provides a framework for matching the NNLO calculation with the next-to-next-to-leading logarithmic prime (NNLL') resummation of the zero-jettiness and next-to-leading logarithmic (NLL) resummation of the one-jettiness. Since the contribution from the resummation is only differential in the N-jettiness parameter, it can be used for generating events only after providing its dependence on the full radiation phase space. The functions used for this purpose are called splitting functions and must be normalized so as not to spoil the accuracy of the resummation. In this work, I present a way of normalizing them on the fly, which provides better stability to the Monte Carlo integration. However, such a method requires the analytic computation of several phase-space boundaries, which depend on the mappings used for projecting the configurations with N+1 final-state partons onto those with N final-state partons. After describing all the mappings currently available in Geneva, I present a detailed calculation of the normalization of the corresponding splitting functions. I then discuss the next-to-leading order (NLO) subtraction of the infrared QCD singularities for any process of production of a color singlet. Since Geneva requires the on-the-fly Monte Carlo integration of the subtracted real amplitudes, I show a way to optimize the efficiency of the integration, which can be particularly useful for processes where the evaluation of the real matrix elements is computationally demanding. In the second part of the work, I discuss the implementation of the process of production of a photon pair from a proton-proton scattering within the Powheg Box + MiNNLOPS Monte Carlo event generator. Such a process requires a dedicated treatment since it is plagued by quantum electrodynamics (QED) divergences in the limit where any photons become collinear to a quark. After briefly introducing the Powheg Box event generator and the MiNNLOPS method, I present the dedicated tools devised for this calculation. I begin by describing a generic way to deal with any process with a divergent Born cross section in the Powheg Box event generator without applying any generation-level cuts. I then present a mapping that prevents QED-finite configurations with one final-state parton from being projected to singular configurations with no final-state partons. Finally, I discuss several modifications to the original version of the MiNNLOPS method aimed at reducing the size of spurious contributions beyond NNLO. After passing the events through the Pythia8 parton shower, I conclude by showing several distributions of phenomenological interest and comparing them with the most recent LHC data from the ATLAS experiment.

In questo lavoro presento le implementazioni di due processi di produzione di una coppia di bosoni elettrodeboli (EW) dallo scattering di due adroni in due diversi generatori di eventi Monte Carlo all'ordine next-to-next-to-leading (NNLO) nella cromodinamica quantistica (QCD) combinati con la parton shower (PS). Nella prima parte della tesi discuto l'implementazione del processo di produzione di due coppie di leptoni privi di massa con lo stesso sapore e carica opposta dallo scattering protone-protone all'interno del generatore di eventi Monte Carlo Geneva. Dopo aver brevemente introdotto il metodo Geneva, fornisco una descrizione dettagliata di due delle sue funzioni recentemente implementate. Dopo aver passato gli eventi attraverso la parton shower di Pythia8, mostro infine diverse distribuzioni di interesse fenomenologico e le confronto con i dati degli esperimenti ATLAS e CMS al Large Hadron Collider (LHC). Il generatore di eventi Geneva consente di abbinare il calcolo NNLO con la resummazione all'ordine logaritmico next-to-next-to-leading primo (NNLL') della zero-jettiness e quella all'ordine logaritmico next-to-leading (NLL) della one-jettiness. Poiché il contributo della risommazione è differenziale nel solo parametro della N-jettiness, può essere utilizzato per generare eventi soltanto dopo aver fornito la sua dipendenza dall'intero spazio delle fasi di radiazione. Le funzioni utilizzate a questo scopo sono dette funzioni di splitting e devono essere normalizzate in modo da non compromettere l'accuratezza della risommazione. In questo lavoro presento un modo per normalizzarle on the fly, che fornisce una migliore stabilità all'integrazione Monte Carlo. Tuttavia, tale metodo richiede il calcolo analitico di diversi limiti dello spazio delle fasi che dipendono dalle mappe utilizzate per proiettare le configurazioni con N+1 partoni di stato finale su quelle con N partoni di stato finale. Dopo aver descritto tutte le proiezioni attualmente disponibili in Geneva, presento un calcolo dettagliato della normalizzazione delle corrispondenti funzioni di splitting. Successivamente discuto la sottrazione all'ordine next-to-leading (NLO) delle singolarità infrarosse di QCD per qualsiasi processo di produzione di un singoletto di colore. Poiché Geneva richiede l'integrazione Monte Carlo on-the-fly delle ampiezze reali sottratte, mostro un modo per ottimizzare l'efficienza dell'integrazione che può essere particolarmente utile per i processi in cui il calcolo degli elementi di matrice reali è computazionalmente impegnativa. Nella seconda parte della tesi discuto l'implementazione del processo di produzione di una coppia di fotoni da uno scattering protone-protone all'interno del generatore di eventi Monte Carlo Powheg Box + MiNNLOPS. Tale processo richiede un trattamento dedicato poiché è afflitto da divergenze di elettrodinamica quantistica (QED) nel limite in cui qualsiasi fotone diventa collineare a un quark. Dopo aver brevemente introdotto il generatore di eventi Powheg Box e il metodo MiNNLOPS, presento gli strumenti appositamente creati per questo calcolo. Comincio descrivendo una tecnica generale per trattare qualsiasi processo con una sezione d'urto Born divergente nel generatore di eventi Powheg Box senza applicare alcun taglio a livello di generazione. Presento quindi una mappa che impedisce che le configurazioni finite dal punto di vista della QED con un partone di stato finale siano proiettate su configurazioni singolari senza partoni di stato finale. Infine discuto alcune modifiche alla versione originale del metodo MiNNLOPS volte a ridurre l'impatto dei contributi spuri oltre il NNLO. Dopo aver passato gli eventi attraverso la parton shower di Pythia8, concludo mostrando diverse distribuzioni di interesse fenomenologico e confrontandole con i dati di LHC più recenti dall'esperimento ATLAS.