[논문 리뷰] Instantons in Deep-Inelastic Scattering

A. Ringwald, F. Schrempp|ArXiv.org|2000. 06. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 HERA에서의 깊이 있는 비탄성 산란(DIS)에서 인스탄톤 유도 과정의 이론적 불확실성을 평가하며, 격자 QCD 데이터를 사용하여 인스탄톤 크기와 간격을 제약한다. $ Q'^\prime/\Lambda_{\overline{MS}} \gtrsim 30.8 $ 및 $ x^\prime \gtrsim 0.35 $ 의 신뢰할 수 있는 절단 조건을 수립하여, $ I $-유도 단면적을 $ 29^{+10}_{-7.5} $ pb로 예측한다. 이는 $ \Lambda_{\overline{MS}} $ 에 매우 민감하며, H1 실험의 탐색에 핵심적인 역할을 한다.

ABSTRACT

In view of the new (preliminary) search results for instanton-induced events at HERA from the H1 collaboration, we present a brief discussion of (controllable) theoretical uncertainties, both in the event topology and the calculated rate.

연구 동기 및 목표

• HERA에서의 깊이 있는 비탄성 산란에서 인스탄톤 유도 사건의 제어 가능한 이론적 불확실성을 평가하기 위해.
• 격자 QCD 제약 조건에 기반한 $ I $-유도 과정을 위한 신뢰할 수 있는 운동량 절단 조건을 도출하기 위해.
• $ \Lambda_{\overline{MS}} $ 에 대한 $ I $-유도 단면적의 의존도를 정량화하고, 실험적 관측량에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 이벤트 위상도 및 예측 빈도에 대한 견고한 이론적 프레임워크를 제공하여 H1 실험 탐색을 지원하기 위해.

제안 방법

• 격자 QCD 시뮬레이션을 사용하여 인스탄톤 크기 $ \rho \leq 0.35 \pm 0.05 $ fm 과 간격 $ R/\rho \geq 1.1 \pm 0.05 $ 를 제약하며, 인스탄톤-퍼티urbation 이론의 적용 가능성을 검증한다.
• 사다리점 관계를 적용하여 격자 제약 조건을 $ I $-부하위과정에서의 최소 절단 조건인 $ Q'^\prime/\Lambda_{\overline{MS}} \gtrsim 30.8 $ 과 $ x^\prime \gtrsim 0.35 $ 로 변환한다.
• Monte Carlo 생성기 QCDINS 2.0을 사용하여 $ I $-유도 DIS 사건을 시뮬레이션하고, 다양한 절단 조건 하에서 최종 상태 관측량을 연구한다.
• 총 빈도가 일정한 상태에서 允許된 $ (Q'^\prime_{\rm min}/\Lambda_{\overline{MS}}, x^\prime_{\rm min}) $ 영역을 따라 경로에 따라 분석을 수행하여 관측량 분포의 변화를 평가한다.
• $ \Lambda_{\overline{MS}} $ 에 대한 $ I $-유도 단면적의 민감도를 정량화하며, PDG '96 및 '98의 업데이트된 $ \alpha_s $ 값들을 사용한다.
• 이론적 예측을 H1 실험 관측량인 $ Q'^{\prime 2}_{\rm rec} $, $ E_t^b $, 및 $ E_t^{\rm jet} $ 와 비교하여 절단 조건 변화에 대한 견고성 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HERA에서의 DIS에서 인스탄톤 유도 사건의 위상도와 빈도에 대한 이론적으로 제어 가능한 불확실성은 무엇인가?
• RQ2 격자 QCD에서의 인스탄톤 크기 및 간격 제약 조건이 $ I $-유도 과정을 위한 신뢰할 수 있는 운동량 절단 조건으로 어떻게 번역되는가?
• RQ3 $ \Lambda_{\overline{MS}} $ 의 변화에 대한 예측된 $ I $-유도 단면적의 민감도와 그로 인한 관측량 분포에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 $ Q'^\prime_{\rm min}/\Lambda_{\overline{MS}} $ 와 $ x^\prime_{\rm min} $ 의 최소 절단 조건 변화가 H1 분석에서 사용하는 핵심 최종 상태 관측량의 형태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 직접적인 실험적 재구성 없이 $ x^\prime $ 를 추정하지 못하는 상황이 이론적 예측과의 비교에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 격자 QCD 데이터에 의해 검증된 바, 인스탄톤 크기 $ \rho \leq 0.35 \pm 0.05 $ fm 과 간격 $ R/\rho \geq 1.1 \pm 0.05 $ 인 경우 인스탄톤-퍼티urbation 이론은 정량적으로 신뢰할 수 있다.
• 격자 제약 조건을 일대일로 사다리점 관계로 변환하면 최소 절단 조건 $ Q'^\prime/\Lambda_{\overline{MS}} \gtrsim 30.8 $ 과 $ x^\prime \gtrsim 0.35 $ 가 도출되며, 이는 QCDINS 2.0의 기본 설정으로 채택된다.
• HERA에서의 $ I $-유도 단면적은 $ \Lambda_{\overline{MS}} $ 에 매우 민감하며, PDG '98의 $ \alpha_s $ 값을 사용한 결과 $ 29^{+10}_{-7.5} $ pb 이다. 반면 PDG '96 값으로는 $ 126^{+300}_{-100} $ pb 로 예측된다.
• 일정한 $ I $-유도 빈도를 유지할 경우 $ x^\prime_{\rm min} $ 을 증가시키면 $ Q'^{\prime 2}_{\rm rec} $ 과 $ E_t^b $ 의 평균 값이 상당히 낮아지는 경향을 보이며, 이는 절단 조건 선택에 민감함을 시사한다.
• $ x^\prime \lesssim 0.35 $ 인 경우 격자 데이터에 따르면 $ I $-효과가 강하게 억제되며, 이는 $ R/\rho \lesssim 1.1 $ 에 해당하므로 $ x^\prime $ 재구성 부재에 의한 영향이 이론 예측과의 비교에 큰 영향을 주지 않는다.
• 이론적 불확실성 중 $ \sigma^{(I)}_{\rm HERA} $ 에 가장 큰 기여를 하는 것은 $ \Lambda_{\overline{MS}} $ 이며, 업데이트된 $ \alpha_s $ 값 사용 시 단면적이 상당히 감소한다.