[論文レビュー] The long road from Regge poles to the LHC

Vittorio Del Duca, Lorenzo Magnea|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 44被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、複素角運動量解析にさかのぼるレッジ理論の発展を、高エネルギー物理学における現代的応用へとたどる。特に摂動的非アーベルゲージ理論およびLHCの素粒子現象論において、レッジ軌道と高エネルギー散乱振幅が全断面積およびマルチジェット生成の主要な予測を支え、高エネルギー対数の再結合を用いたLHCデータへの良好なフィットを示している。

ABSTRACT

The Regge limit of gauge-theory amplitudes and cross sections is a powerful theory tool for the study of fundamental interactions. It is a vast field of research, encompassing perturbative and non-perturbative dynamics, and ranging from purely theoretical developments to detailed phenomenological applications. It traces its origins to the proposal of Tullio Regge, almost sixty years ago, to study scattering phenomena in the complex angular momentum plane. In this very brief contribution, we look back to the early days of Regge theory, and follow a few of the many strands of its development, reaching to present day applications to scattering amplitudes in non-abelian gauge theories.

研究の動機と目的

• レッジ理論の歴史的発展を、量子力学的ポテンシャル散乱にさかのぼるその出発点から、量子場理論における現代的応用までたどること。
• レッジ理論が非摂動的ハドロンスペクトルと非アーベルゲージ理論における摂動的散乱振幅の両者を統合する枠組みを提供する仕組みを説明すること。
• レッジ理論がLHCにおける全ハドロン断面積およびマルチジェット生成の記述において、現象論的にどの程度関連しているかを示すこと。
• 高エネルギーQCD過程における迅速性対数のすべての位階での再結合を可能にするレッジ理論の役割を強調すること。
• レッジにインspiredされたモデル、特に有効ストリング理論やAdS/QCDが、非摂動的強い相互作用のダイナミクスに今も関連していることを示すこと。

提案手法

• 量子力学における束縛状態と複素角運動量平面における散乱振幅との間の関係を、レッジ軌道解析を用いて結びつける。
• グリボフ＝レッジ理論を相対論的量子場理論に適用し、クロッシング対称性とローレンツ不変性を活用して高エネルギー振幅を制約する。
• リパトフのアプローチを用いて、特に$N=4$ SYMおよびQCDにおける非アーベルゲージ理論の摂動的高エネルギー振るまいを導出する。
• 有効レッジオン交換モデルを用いて、全ハドロン断面積をべき乗則形式$\sigma^{\rm tot}_{ab} = X_{ab} s^{\alpha} + Y_{ab} s^{\beta}$でパラメータ化する。
• ハイエナジー・ジェット（HEJ）フレームワークを適用し、迅速性における主要対数を再結合させ、高エネルギー二ジェット質量におけるマルチジェット断面積の正確な予測を可能にする。
• 理論的予測をLHCデータ、特にATLASによる$W$+ジェット生成の測定と比較し、レッジに基づく再結合技術の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 散乱振幅の解析的構造が、量子力学および場の理論におけるレッジ軌道をどのように生じさせるか？
• RQ2 グリボフ＝レッジ理論は、ゲージ理論における非摂動的ハドロンスペクトルと摂動的高エネルギー散乱を、どのように統一するか？
• RQ3 レッジにインspiredされたモデルは、エネルギーの複数のオーダーにわたる全ハドロン断面積のエネルギー依存性をどのように記述するか？
• RQ4 レッジ理論は、LHCにおけるマルチジェット生成において、迅速性対数のすべての位階での再結合をどの程度可能にするか？
• RQ5 レッジ理論は、ストリング理論、有効場理論、そして現代のLHC現象論を結ぶ役割を果たすか？

主な発見

• 線形に上昇するレッジ軌道は、$\rho$メソンおよび$\Delta^*$バリオンのデータとAdS/QCDに基づくモデルを用いたフィットにおいて、メソンおよびバリオン共鳴子スペクトルに非常に良好な適合を示す。
• ドンナチエ＝ランドシュホフの全断面積パラメータ化$\sigma^{\rm tot}_{ab} = X_{ab} s^{\alpha} + Y_{ab} s^{\beta}$は、$\alpha \simeq 0.08$および$\beta \simeq -0.45$を用い、プロトン-プロトンおよびプロトン-反プロトンのデータ、初期のLHC測定値を包括的にうまく説明している。
• ハイエナジー・ジェット（HEJ）フレームワークは、レッジ寄与を一次対数精度で組み込み、高二ジェット質量領域における$W$+ジェット断面積を正確に予測し、ATLASデータと一致している。
• レッジ理論により、マルチジェット生成における迅速性対数のすべての位階での再結合が可能となり、光度が増加するに従い統計的不確実性が小さくなる精密LHC現象論にとって不可欠な要素となっている。
• 同じ有効レッジ軌道パラメータ（$\alpha \simeq 0.08$, $\beta \simeq -0.45$）が、多様な過程を記述しており、交換粒子の性質がエネルギー依存性を支配していることが示唆されている。
• レッジ理論は現代の高エネルギー物理学における中心的理論的ツールであり、ストリング理論に深い根をもつとともに、非摂動的および摂動的QCDの両方において、今もなお関連性を保っている。