[논문 리뷰] Precision QCD, Hadronic Structure & Forward QCD, Heavy Ions: Report of Energy Frontier Topical Groups 5, 6, 7 submitted to Snowmass 2021

M. Begel, Stefan Hoeche외 48명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 Snowmass 2021 보고서는 미국 에너지 프론티어에서 정밀도 QCD, 강한 구조 및 향후 고에너지 QCD의 현재 상태와 미래를 종합적으로 분석하며, 라티스 QCD, 양자장론 계산, 이벤트 생성기 및 HL-LHC, EIC, 향후 콜라이더에서의 실험 프로그램 간의 협력적 발전을 통해 강한 상호작용 상수의 백분위의 밀리미터 수준 정밀도와 개선된 PDF/FF 결정을 달성할 것을 주장한다.

ABSTRACT

This report was prepared on behalf of three Energy Frontier Topical Groups of the Snowmass 2021 Community Planning Exercise. It summarizes the status and implications of studies of strong interactions in high-energy experiments and QCD theory. We emphasize the rich landscape and broad impact of these studies in the decade ahead. Hadronic interactions play a central role in the high-luminosity Large Hadron Collider (LHC) physics program, and strong synergies exist between the (HL-)LHC and planned or proposed experiments at the U.S. Electron-Ion Collider, CERN forward physics experiments, high-intensity facilities, and future TeV-range lepton and hadron colliders. Prospects for precision determinations of the strong coupling and a variety of nonperturbative distribution and fragmentation functions are examined. We also review the potential of envisioned tests of new dynamical regimes of QCD in high-energy and high-density scattering processes with nucleon, ion, and photon initial states. The important role of the high-energy heavy-ion program in studies of nuclear structure and the nuclear medium, and its connections with QCD involving nucleons are summarized. We address ongoing and future theoretical advancements in multi-loop QCD computations, lattice QCD, jet substructure, and event generators. Cross-cutting connections between experimental measurements, theoretical predictions, large-scale data analysis, and high-performance computing are emphasized.

연구 동기 및 목표

• 미국 에너지 프론티어 전역에서 정밀도 QCD, 강한 구조 및 향후 QCD의 현재 상태와 미래 전망을 평가하기 위해.
• 고광도 LHC, 전자-이온 콜라이더(EIC), 향후 물리 시설 및 향후 테바스케일 콜라이더 간의 상호보완성을 규명하기 위해.
• αs 및 파르톤 분포 함수와 같은 QCD 매개변수의 백분위 수준 정밀도를 달성하기 위해 이론적 및 실험적 발전을 조율할 것을 주장하기 위해.
• 향후 콜라이더에서 정밀도 측정을 가능하게 하는 라티스 QCD, 다중 루프 계산 및 이벤트 생성기의 역할을 강조하기 위해.
• 레거시 데이터 보존 및 기계학습과 같은 현대 도구를 활용한 재분석이 지속적인 QCD 연구에 있어 중요함을 부각하기 위해.

제안 방법

• 정밀도 QCD, 강한 구조 및 향후 고에너지 QCD 분야의 세 개의 에너지 프론티어 주제 그룹(EF05, EF06, EF07) 기여의 통합.
• Snowmass 2021에서의 콜라이더 물리, 라티스 QCD 및 이벤트 생성기 개발 분야의 화이트 페이퍼 및 공동체 피드백의 융합.
• 고에너지 및 저에너지 QCD 측정 간의 연결을 위해 인식 이론과 효과적 장 이론(SMEFT)의 적용.
• 정밀도 시뮬레이션을 위해 다중 루프 양자장론 QCD 계산 및 다음 다음 주요 순서(Next-to-Next-to-Leading Order, NNLO) 이벤트 생성기의 적용.
• 고에너지, 저x 산란 영역을 기술하기 위해 향후 물리, BFKL 역학 및 포화 모델의 통합.
• 다양한 에너지 스케일의 QCD 모델링을 지원하기 위해 고성능 컴퓨팅 및 데이터 분석 파이프라인의 활용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HL-LHC 및 향후 콜라이더에서의 정밀도 QCD 측정을 통해 강한 상호작용 상수 αs의 불확실성을 백분위의 밀리미터 수준으로 줄일 수 있는 방법은 무엇인가요?
• RQ2 EIC 및 Belle II의 데이터를 활용하여 파르톤 분포 함수(PDFs)와 분해 함수(FFs)를 백분위 수준 정밀도로 결정할 수 있는 가능성은 무엇인가요?
• RQ3 라티스 QCD 및 효과적 장 이론 방법은 비표류 QCD 행렬 원소의 결정을 어떻게 향상시키며, 이는 글로벌 PDF 분석에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ4 다중 테바스케일 에너지에서의 강입자 쇼워 및 제트 서브구조를 모델링하기 위해 필요한 이론적 및 실험적 발전은 무엇인가요? 특히 FCC-hh에 대해.
• RQ5 LEP, SLC 및 HERA의 레거시 데이터를 기계학습과 같은 현대 도구를 활용해 재분석하면 QCD 연구에 새로운 물리적 통찰을 제공할 수 있는가요?

주요 결과

• 라티스 QCD와 향후 e+e− 시설의 발전으로 인해 강한 상호작용 상수 αs의 불확실성이 거의 한 계단 수준으로 감소할 것으로 예상되며, 백분위의 밀리미터 수준 정밀도에 도달할 것으로 예측된다.
• 레프톤-하드론 또는 하드론-하드론 콜라이더를 이용해 αs의 RG 진화를 광범위한 동적 범위에서 검증할 수 있어 QCD 역학에 대한 새로운 테스트 기회가 열린다.
• 향후 힉스 공장에서 바텀 쿼크 질량의 백분위 수준 정밀도가 예상되며, 이는 QCD 및 표준모형 매개변수에 대한 엄격한 테스트 기회를 제공한다.
• 하드론 콜라이더 데이터, Belle II 및 파르톤 물리학의 라티스 QCD 계산을 통해 PDF 및 FF의 정밀도 결정에 새로운 기회가 열리고 있다.
• HL-LHC 및 향후 콜라이더에서의 고정밀도 과정 시뮬레이션을 위해 다중 루프 양자장론 QCD 계산 및 NNLO 이벤트 생성기는 필수적이다.
• LEP, SLC 및 HERA의 레거시 데이터는 여전히 QCD 분석에 중요한 자료이며, 기계학습과 같은 현대 재분석 기법을 통해 새로운 물리적 통찰을 도출할 수 있다.