[論文レビュー] From QCD Instantons at HERA to Electroweak B+L Violation at VLHC

A. Ringwald|ArXiv.org|Feb 14, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、HERAで観測されたQCDインスタントン誘導過程と、将来の高エネルギー加速器（VLHCなど）で予想される電弱的B+L破れ過程との類似性を検討する。 lattice QCDおよびHERAのデータからの制約を用いて、電弱的インスタントン断面積は、保守的な運動的領域では未観測に近い小ささに留まるが、インスタントンサイズが現在の限界より小さい場合、30 TeVの中心系エネルギーでは観測可能なレベル（約10⁻⁶ pb）に達する可能性があると予測する。

ABSTRACT

This review emphasizes the close analogy between hard QCD instanton-induced chirality violating processes in deep-inelastic scattering and electroweak instanton-induced baryon plus lepton number (B+L) violating processes in Quantum Flavor Dynamics (QFD). Recent information about QCD instantons, both from lattice simulations and from the H1 experiment at HERA, can be used to learn about the fate of electroweak B+L violation at future high energy colliders in the hundreds of TeV regime, such as the projected Very Large Hadron Collider (VLHC). The cross-sections turn out to be unobservably small in a conservative fiducial kinematical region inferred from the above mentioned QCD-QFD analogy. An extrapolation - still compatible with lattice results and HERA - beyond this conservative limit indicates possible observability at VLHC.

研究の動機と目的

• QCDインスタントン物理学からの知見を用いて、将来の高エネルギー加速器における電弱的B+L破れ過程の観測可能性を検討すること。
• インスタントンサイズおよび結合定数に関するlattice QCDとHERAの実験的制約を活用し、電弱的インスタントン断面積の予測を支援すること。
• 電弱的インスタントン誘導過程がVLHCで観測可能な率を示す可能性があるかどうか、バリオン数およびレプトン数破れの文脈で評価すること。
• これらの発見が、宇宙線およびニュートリノ望遠鏡によるスファラロン過程の観測に与える影響を検討すること。
• B+Lおよびカイラリティ破れの類似性を通じて、QCDと電弱的インスタントンの素性の間の定量的ブリッジを確立すること。

提案手法

• HERAにおけるQCDインスタントン誘導硬散乱過程を、電弱的インスタントン過程のベンチマークとして用いる。
• インスタントン摂動論を適用し、電弱理論（QFD）におけるB+L破れ過程のパートン-パートン断面積を、すべての係数を含めて計算する。
• QCD–QFD類似性を用いて、lattice QCDおよびHERAデータからインスタントンサイズ（ρ*）および結合定数（αs）の保守的運動的限界を推定する。
• インスタントンサイズが小さい（ρ* ≈ 0.31–0.33 fm）と仮定し、保守的有効領域を超えて断面積予測を外挿する。
• VLHCエネルギー（sqrt(s) = 200 TeV）および光度（約6×10⁵ pb⁻¹ yr⁻¹）における断面積を評価し、観測可能なイベント数を推定する。
• 高運動量レプトンおよびジェットを含む最終状態の検出可能性を検討し、標準模型のバックグラウンドから分離可能かどうかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HERAおよびlattice QCDからのQCDインスタントンに関する実験的制約を、将来の加速器における電弱的B+L破れ過程の断面積予測に利用できるか？
• RQ2 QCD–QFD類似性および現在のデータに基づいて、電弱的インスタントン断面積の保守的下限は何か？
• RQ3 どのような条件下で、電弱的インスタントン誘導B+L破れイベントがVLHCで観測可能になるか？
• RQ4 電弱的インスタントン断面積は、有効インスタントンサイズρ*および結合定数αsにどれほど敏感か？
• RQ5 VLHCが稼働する前でも、宇宙線またはニュートリノ望遠鏡実験で電弱的スファラロン過程を観測できるか？

主な発見

• 保守的な有効領域（R/ρ* ≥ 1）では、予測される電弱的インスタントン誘導断面積は未観測に近い小ささに留まり、ε ≤ 0.75の範囲でσ̂_ff^(I_W) ≤ 10⁻²⁶ pbとなる。
• インスタントンサイズをわずかに小さく外挿すると（R/ρ* ≈ 0.7）、ε ≈ 1（部分子系中心系エネルギー約30 TeVに対応）で断面積が約10⁻⁶ pbに増加する。
• VLHCエネルギー（200 TeV）および光度（約6×10⁵ pb⁻¹ yr⁻¹）において、この断面積はB+L破れ過程の観測可能なイベント率を示唆する。
• 最終状態は高運動量エネルギーや複数の高pTレプトンを特徴とし、標準模型のバックグラウンドから明確に分離可能である。
• 10²〜10³件程度のイベントを観測すればレプトン数破れの観測が可能であり、実現可能な検出戦略が示唆される。
• 外挿された断面積が高エネルギー領域でも成り立つ場合、VLHC稼働以前に宇宙線またはニュートリノ望遠鏡で電弱的スファラロン生成の初期兆候が検出可能となる可能性がある。