[論文レビュー] How to observe the QCD instanton/sphaleron processes at hadron colliders?

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

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 57被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ハドロン衝突型加速器において、二重弾性ポンメロン-ポンメロン衝突を用いてQCDインスタントン/スファレオン過程を検出する手法を提案している。この手法は、位相的に非自明なグルーオンクラスタを分離することで、信号対背景比を向上させる。具体的には、$KK\bar{K}$、$B\bar{B}D\bar{D}$、および$\Lambda$ハイパーフォンの崩壊といった特徴的な全閉最終状態を特定し、クォークのヘリシティ相関を介して、測定可能なハドロン的シグナルとして非摂動的QCD効果を観測する道筋を提示している。

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.

研究の動機と目的

• 理論的理解は得られているが、実験的観測が困難であったハドロン衝突型加速器におけるQCDインスタントン/スファレオン過程を観測するための実験的シグナルを同定すること。
• 標準的な$pp$衝突における膨大なQCDバックグラウンドを、二重弾性（ポンメロン-ポンメロン）過程を活用することで低減すること。
• 具体的な全閉ハドロン最終状態（例：$KK\pi$、$KK\bar{K}\bar{K}$、$B\bar{B}D\bar{D}$）を提案し、6、8、10クォーク-反クォーク演算子に由来する特徴的なフレーバーおよびヘリシティ構造を提示すること。
• クォークヘリシティ相関をプローブとして$\Lambda$ハイパーフォンの崩壊を用い、位相的遷移の測定可能なシグナルを提供すること。

提案手法

• ポンメロン交換がグルーボール的および位相的に非自明な状態を好むことを利用し、二重弾性（ポンメロン-ポンメロン）衝突を用いて入射因子を最大化し、QCDバックグラウンドを最小化する。
• スファレオン過程の古典的作用と半古典的係数を分析し、トンネル振幅とそのチェーン＝シモンズ数の変化$\Delta N_{CS} = \pm 1$に依存する性質に注目する。
• 初期状態のスファレオン崩壊を記述するため、特定のフレーバーおよびヘリシティ構造（例：$(\bar{u}u)(\bar{d}d)(\bar{s}s)$）を持つ6、8、10クォーク-反クォーク演算子を導出する。
• 二重メリン変換とレッジ化形式を用いて、二つの横偏光グルーオンがスカラーまたはピアゾロスカラーグルーボールに融合する過程の振幅を構築する。
• 三重重力子結合と横方向・トレースレスな偏光テンソルを適用し、グルーボール放出の振幅を導出し、$\mathbb{B}^{\pm}_{\alpha\beta\bar{\alpha}\bar{\beta}}$テンソル構造を組み込む。
• 振幅の高エネルギー極限を検討し、エネルギー依存性を支配する指数的抑制因子$e^{-\sqrt{\lambda}\tilde{\xi}^2 / 2\tilde{\tau}}$が得られることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハドロン衝突型加速器における二重弾性ポンメロン-ポンメロン衝突は、標準的な$pp$衝突と比較して、QCDスファレオン過程の信号をよりクリアに検出可能にするか？
• RQ2 スファレオン遷移によって生成される6、8、10クォーク演算子に由来する、どのような全閉ハドロン最終状態が生じるか。また、それらをどのように実験的に区別できるか？
• RQ3 $\Lambda$ハイパーフォンの崩壊におけるクォークヘリシティ相関は、スファレオン誘発過程のシグナルとしてどのように機能するか？
• RQ4 不変質量$M \sim 3-100\,\text{GeV}$のスファレオン生成クラスタの検出可能性を決定づける入射因子の役割は何か？
• RQ5 レッジ化ポンメロン振幅と$\tilde{\tau}$依存性の抑制は、全閉グルーボールおよびハドロン最終状態の断面積にどのように影響するか？

主な発見

• 二重弾性ポンメロン-ポンメロン衝突が、スファレオン誘発クラスタを観測する最適なプロセスであると提案されている。これは、入射因子を最大化し、QCDバックグラウンドを最小化するからである。
• 全閉最終状態として、$KK\pi$、$\pi\pi\eta$、$KK\bar{K}\bar{K}$、$B\bar{B}D\bar{D}$が、特定のフレーバーおよびヘリシティ構造を持つ6、8、10クォーク演算子に由来すると予測されている。
• 二重メリン変換とレッジ化を用いてグルーボール放出の振幅を導出し、エネルギー依存性を支配する抑制因子$\sim e^{-\sqrt{\lambda}\tilde{\xi}^2 / 2\tilde{\tau}}$が得られた。
• テンソル構造$\mathbb{B}^{\pm}_{\alpha\beta\bar{\alpha}\bar{\beta}}$は、最終状態の振幅におけるパリティ、電荷共役、ローレンツ対称性を保証する。
• $\Lambda$ハイパーフォンの崩壊におけるヘリシティ相関は、スファレオン過程の背後にある位相的遷移を反映する可能性がある観測可能なシグナルであると特定された。
• 本稿では、スファレオン生成が不変質量$M \sim 100\,\text{GeV}$で実現可能であり、入射因子が十分に増幅されていれば、測定可能な断面積が得られると推定されている。