[论文解读] From QCD Instantons at HERA to Electroweak B+L Violation at VLHC

A. Ringwald|ArXiv.org|Feb 14, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用 5

一句话总结

本文探讨了在HERA上观测到的QCD瞬子诱导过程与未来高能对撞机（如VLHC）预期的电弱B+L破坏过程之间的类比。利用来自格点QCD和HERA数据的约束，预测在保守的运动学区域内，电弱瞬子截面仍处于不可观测的极小水平，但如果瞬子尺寸小于当前限制，且在30 TeV质心系能量下，其截面可能达到可观测水平（约10⁻⁶ pb）。

ABSTRACT

This review emphasizes the close analogy between hard QCD instanton-induced chirality violating processes in deep-inelastic scattering and electroweak instanton-induced baryon plus lepton number (B+L) violating processes in Quantum Flavor Dynamics (QFD). Recent information about QCD instantons, both from lattice simulations and from the H1 experiment at HERA, can be used to learn about the fate of electroweak B+L violation at future high energy colliders in the hundreds of TeV regime, such as the projected Very Large Hadron Collider (VLHC). The cross-sections turn out to be unobservably small in a conservative fiducial kinematical region inferred from the above mentioned QCD-QFD analogy. An extrapolation - still compatible with lattice results and HERA - beyond this conservative limit indicates possible observability at VLHC.

研究动机与目标

• 通过QCD瞬子物理的见解，研究未来高能对撞机上观测电弱B+L破坏过程的可行性。
• 利用HERA和格点QCD模拟对瞬子尺寸和耦合的实验约束，为电弱瞬子截面预测提供依据。
• 评估电弱瞬子诱导过程在VLHC上是否可能产生可观测的事件率，尤其关注重子数和轻子数破坏的背景。
• 探讨这些发现对宇宙射线和中微子望远镜观测 sphaleron 过程的启示。
• 通过B+L和手征性破坏类比，建立QCD与电弱瞬子现象学之间的定量联系。

提出的方法

• 以HERA上QCD瞬子诱导的深度非弹性散射硬散射过程为基准，类比电弱瞬子过程。
• 应用瞬子微扰论，计算电弱理论（QFD）中B+L破坏过程的 parton-parton 截面，包含所有前因子。
• 利用QCD–QFD类比，从格点QCD和HERA数据中推断瞬子尺寸（ρ*）和耦合（αs）的保守运动学限制。
• 在保守的探测区域外进行截面预测的外推，假设瞬子尺寸更小（ρ* ≈ 0.31–0.33 fm）且αs值更低。
• 在VLHC能量（√s = 200 TeV）和亮度（~6×10⁵ pb⁻¹ yr⁻¹）下评估结果，估算可观测事件率。
• 考虑最终态中高横动量轻子和喷注的可探测性，以与标准模型背景实现清晰区分。

实验结果

研究问题

• RQ1 HERA和格点QCD对QCD瞬子的实验约束是否可用于预测未来对撞机上电弱B+L破坏过程的截面？
• RQ2 基于QCD–QFD类比和当前数据，电弱瞬子截面的保守下限是多少？
• RQ3 在何种条件下，电弱瞬子诱导的B+L破坏事件可能在VLHC上可观测？
• RQ4 电弱瞬子截面对有效瞬子尺寸ρ*和跑动耦合αs的敏感度如何？
• RQ5 在VLHC运行之前，电弱sphaleron过程是否可能在宇宙射线或中微子望远镜实验中被观测到？

主要发现

• 在保守的探测区域（R/ρ* ≥ 1）内，预测的电弱瞬子诱导截面仍处于不可观测的极低水平，σ̂_ff^(I_W) ≤ 10⁻²⁶ pb（当ε ≤ 0.75时）。
• 略微外推至更小的瞬子尺寸（R/ρ* ≈ 0.7）时，截面增至约10⁻⁶ pb（当ε ≈ 1时），对应部分子系质心能量约30 TeV。
• 在VLHC能量（200 TeV）和亮度（~6×10⁵ pb⁻¹ yr⁻¹）下，该截面意味着B+L破坏过程可能产生可观测的事件率。
• 最终态特征为高横动量能量和多个高pT轻子，可与标准模型背景实现清晰分离。
• 收集10²–10³个此类事件即可实现轻子数破坏的可观测性，表明存在可行的探测策略。
• 若外推截面在更高能量下成立，则在VLHC运行之前，宇宙射线或中微子望远镜中可能率先探测到电弱sphaleron产生的迹象。