[논문 리뷰] How to observe the QCD instanton/sphaleron processes at hadron colliders?

Edward Shuryak, Ismaïl Zahed|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 57인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 하드론 충돌기에서 이중미분형 펄서몬-펄서몬 충돌을 통해 QCD 인스탄톤/스팔레론 과정을 탐지하는 방법을 제안한다. 이는 위상적으로 비자명한 글루온 클러스터를 분리함으로써 신호 대 배경 비율을 향상시킨다. 특정 쿼크 편극성 상관관계를 가진 배제적 최종 상태—예를 들어 $KK\bar{K}$, $B\bar{B}D\bar{D}$, 및 $\Lambda$ 하이퍼온 붕괴—를 식별함으로써, 측정 가능한 강입자 서명을 통한 비파erturbative QCD 효과 관측이 가능한 길을 제시한다.

ABSTRACT

The instanton/sphaleron processes involve gauge fields with changing topology through a nonzero variation of the Chern-Simons number $δN_{CS}=\pm 1$. In QCD this leads to the production of $2N_f δN_{CS}$ units of axial charge, and in the electroweak theory to the production of 12 fermions, with $ΔB=δL=3$ units of baryon and lepton number, a key mechanism in baryogenesis. While this is all known for a long time, and is one of the pillars of the nonperturbative theory of the QCD vacuum, to see these phenomena directly in colliders remains an unfulfilled promise. Motivated by the recent CERN workshop on the topic, we review the field. We also put forward our own suggestions to utilize double-diffractive (or Pomeron-Pomeron) collisions to this goal, which maximizes the entrance factor and minimizes the backgrounds. We consider separately clusters of small ($M=3-10\, { m GeV}$), medium ($10-30\, { m GeV}$) and high $M\sim 100 \, { m GeV}$ invariant masses. Among the proposed signals are specific flavor combination of channels, originating from well-defined 6-, 8- and 10-quark-antiquark operators, as well as correlation of quark chiralities to be potentially detected via $Λ$ hyperon decays.

연구 동기 및 목표

• 이론적으로 이해된 바는 있으나 실험적으로 확인되지 않은 QCD 인스탄톤/스팔레론 과정을 하드론 충돌기에서 관측하기 위한 실현 가능한 실험적 서명을 규명하는 것.
• 표준 $pp$ 충돌에서 지나치게 큰 QCD 배경을 줄이기 위해 이중미분형(펄서몬-펄서몬) 과정을 활용하는 것.
• 특정 풍미 및 편극성 구조를 가진 배제적 강입자 최종 상태—예를 들어 $KK\pi$, $KK\bar{K}\bar{K}$, 및 $B\bar{B}D\bar{D}$—를 제안하며, 이는 6-, 8-, 10쿼크-항쿼크 연산자로부터 유래된다.
• 쿼크 편극성 상관관계를 탐지하기 위해 $\Lambda$ 하이퍼온 붕괴를 활용함으로써, 위상 전이의 측정 가능한 신호를 제공하는 것.

제안 방법

• 펄서몬 교환가 펄서몬-펄서몬 충돌을 통해 입자 생성의 입구 인자(entrance factor)를 극대화하고 QCD 배경을 최소화함으로써, 글루볼과 위상적으로 비자명한 상태를 선호함.
• 스팔레론 과정의 고전적 작용과 반고전적 전구인자를 분석하며, 턨널링 진폭과 그 체르니코프-시몬스 수 변화 $\Delta N_{CS} = \pm 1$ 의 의존성에 중점을 둠.
• 스팔레론 붕괴의 초입 상태를 기술하기 위해 특정 풍미 및 편극성 구조를 가진 6-, 8-, 10쿼크-항쿼크 연산자—예를 들어 $(\bar{u}u)(\bar{d}d)(\bar{s}s)$—를 유도함.
• 이중 멀티노 변환과 레지오 방식을 사용하여 두 개의 수직 편극된 글루온이 스칼라 또는 페시컬라 글루볼로 융합하는 과정의 진폭을 구성함.
• 삼차원 중력자 상호작용 및 가로-자기 없는 편극 텐서를 적용하여 글루볼 방출의 진폭을 유도하며, 이 과정에서 $\mathbb{B}^{\pm}_{\alpha\beta\bar{\alpha}\bar{\beta}}$ 텐서 구조를 포함함.
• 진폭의 고에너지 근사에서, 에너지 의존성을 결정하는 지수적 감쇠인자 $e^{-\sqrt{\lambda}\tilde{\xi}^2 / 2\tilde{\tau}}$ 를 도출함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하드론 충돌기에서 이중미분형 펄서몬-펄서몬 충돌이 표준 $pp$ 충돌에 비해 QCD 스파일레론 과정에 대해 더 깔끔한 신호를 제공할 수 있는가?
• RQ2 스팔레론 전이에서 생성된 6-, 8-, 10쿼크 연산자로부터 어떤 배제적 강입자 최종 상태가 유도되며, 이를 어떻게 실험적으로 구별할 수 있는가?
• RQ3 스팔레론에 의해 유도된 과정을 위한 $\Lambda$ 하이퍼온 붕괴에서의 쿼크 편극성 상관관계는 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 입구 인자가 $M \sim 3-100\,\text{GeV}$ 의 진동 질량을 가진 스파일레론 생성 클러스터의 탐지 가능성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 레지오화된 펄서몬 진폭과 $\tilde{\tau}$ 의 의존성 감쇠는 배제적 글루볼 및 강입자 최종 상태의 단면적에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이중미분형 펄서몬-펄서몬 충돌이 스파일레론에 의해 유도된 클러스터를 관측하는 데 최적의 과정으로 제안되며, 이는 입구 인자를 극대화하고 QCD 배경을 최소화하기 때문이다.
• 배제적 최종 상태로 $KK\pi$, $\pi\pi\eta$, $KK\bar{K}\bar{K}$, 및 $B\bar{B}D\bar{D}$ 가 6-, 8-, 10쿼크 연산자로부터 특정 풍미 및 편극성 구조를 가진 상태로 예측된다.
• 이중 멀티노 변환과 레지오화를 사용하여 글루볼 방출의 진폭을 유도하였으며, 이는 에너지 의존성을 결정하는 감쇠 인자 $\sim e^{-\sqrt{\lambda}\tilde{\xi}^2 / 2\tilde{\tau}}$ 를 제공한다.
• $\mathbb{B}^{\pm}_{\alpha\beta\bar{\alpha}\bar{\beta}}$ 텐서 구조는 최종 상태 진폭에서 정합성, 전하 공명, 로렌츠 대칭성과 일치함을 보장한다.
• $\Lambda$ 하이퍼온 붕괴에서의 편극성 상관관계는 스파일레론 과정의 기초가 되는 위상 전이를 반영하므로 잠재적인 측정 가능한 신호로 확인된다.
• 논문은 입구 인자가 충분히 향상되면 스파일레론 생성이 $M \sim 100\,\text{GeV}$ 에서 실현 가능하며, 측정 가능한 단면적을 가질 수 있음을 추정한다.