[論文レビュー] Challenging Asymptotic Freedom

Francesco Sannino|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2015

Computability, Logic, AI Algorithms被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、QCDの高エネルギーにおける漸近的自由性という長年の仮定に挑戦し、代わりに相互作用型紫外固定点を有する漸近的安定性である可能性を提案する。LHCのR₃₂ジェット比のデータを用いて、新たな色荷を持つ状態の有効数(n_eff)と質量に関するモデルに依存しない制約を設定し、現在のデータでは、クォークやグルーオンが高エネルギーで完全に自由でない、安定なQCDの状況を排除できないことを示している。

ABSTRACT

Several extensions of the standard model feature new colored states that besides modifying the running of the QCD coupling could even lead to the loss of asymptotic freedom. Such a loss would potentially diminish the Wilsonian fundamental value of the theory. However, the recent discovery of complete asymptotically safe vector-like theories \cite{Litim:2014uca}, i.e. featuring an interacting UV fixed point in all couplings, elevates these theories to a fundamental status and opens the door to alternative UV completions of (parts of) the standard model. If, for example, QCD rather than being asymptotically free becomes asymptotically safe there would be consequences on the early time evolution of the Universe (the QCD plasma would not be free). It is therefore important to test, both directly and indirectly, the strong coupling running at the highest possible energies. I will review here the attempts made in \cite{Becciolini:2014lya} to use pure QCD observables at the Large Hadron Collider (LHC) to place bounds on new colored states. Such bounds do not depend on the detailed properties of the new hypothetical states but on their effective number and mass. We will see that these direct constraints cannot exclude a potentially safe, rather than free, QCD asymptotic nature. A safe QCD scenario would imply that quarks and gluons are only approximately free at some intermediate energies, otherwise they are always in chains.

研究の動機と目的

• QCDが高エネルギーで漸近的自由であるという仮定に挑戦し、相互作用型UV固定点を有する漸近的安定性という代替可能性を検討すること。
• 標準模型を超える新しい色荷を持つ状態が、強い結合定数の運行に影響を及ぼし、結果として漸近的自由性の喪失を引き起こす可能性があるかどうかを検証すること。
• LHCの純粋なQCD観測量、特にR₃₂ジェット比に着目し、モデルに依存しない新しい物理の制約を導出すること。
• 現在のLHCデータが、漸近的自由性ではなく漸近的安定性であるQCDのシナリオを排除できるかどうかを評価すること。
• クォークやグルーオンが高エネルギーで完全に自由でない強いつながりを持つ状態が、初期宇宙の宇宙論的および基礎的意味に与える影響を検討すること。

提案手法

• LHCのCMS実験による高エネルギー領域におけるR₃₂ジェット比の測定値を、最大約900 GeVのスケールにおける強い結合定数αₛのプローブとして用いる。
• 実験的αₛ値と、新しい色荷を持つ状態の寄与をn_effとm_Xでパラメータライズした理論的予測を比較するため、尤度に基づく統計的フレームワーク（式8）を適用する。
• 2ループの運行を用いてM_Zからより高いスケールへ強い結合定数を運行し、新しい物理からの有効自由度を組み込む。
• 表現の詳細に敏感かどうかをテストするため、C_Xを4/3から6の範囲で変化させ、境界に与える影響を調査。その結果、境界にほとんど影響がないことが判明。
• 実験的不確実性に基づく確率測度を用い、固定されたm_Xに対して2σおよび3σ信頼水準でのn_effの上限を課す。
• 全球フィットの不確実性を低減するため、世界平均のαₛ(M_Z) = 0.1185を固定入力として扱う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のLHCデータは、強い結合定数が相互作用型UV固定点に近づく非漸近的自由性QCDのシナリオを排除できるか？
• RQ2 R₃₂のような純粋なQCD観測量は、特定の量子数を仮定せずに、新しい色荷を持つ状態の存在をどの程度制約できるか？
• RQ3 新しい状態の表現（例えば、基本表現と随伴表現のフェルミオン）を表すCasimir C_Xの変化に伴い、新しい物理の境界はどの程度感度を示すか？
• RQ4 クォークやグルーオンが高エネルギーで完全に自由でない強いつながりを持つ状態が続く場合、初期宇宙の宇宙論的状態にどのような影響を与えるか？
• RQ5 UV完全理論においてランダウ極点が存在しないことと、LHCエネルギースケールでのαₛの観測された運行が、どのように整合するか？

主な発見

• 現在のLHCのR₃₂ジェット比に関するデータは、QCDが漸近的自由ではなく漸近的安定である可能性を排除していない。
• さまざまな新しい物理の質量に対して95%信頼水準でのn_effの上限を設定した。特にm_X ≈ 620 GeV（例：ディラック10重項）では、n_eff = 15まで達する。
• グルーオンに似た粒子（グルーギノ）でm_X = 280 GeVの場合、n_effの95%信頼水準での上限は3であり、最小限の拡張と整合的である。
• 境界はC_Xの変化に対して頑健であり、新しい色荷を持つ状態の具体的な表現に敏感でないことが示された。
• 除外限界はモデルに依存せず、新しい色荷を持つ状態の有効数と質量に基づいているため、広く適用可能である。
• 結果は、クォークやグルーオンが高エネルギーで完全に自由でない可能性を示唆しており、初期宇宙に強いつながりを持つプリミティブなプラズマが存在する可能性を示唆している。