[論文レビュー] Precision QCD, Hadronic Structure & Forward QCD, Heavy Ions: Report of Energy Frontier Topical Groups 5, 6, 7 submitted to Snowmass 2021

M. Begel, Stefan Hoeche+48 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

Snowmass 2021レポートは、米国エネルギー・フロンティアにおける精度量子色力学（QCD）、ハドロン構造、フォワード/高エネルギーQCDの現状と将来を統合的にまとめ、HL-LHC、EIC、将来のコライダーにおける実験計画に加え、格子QCD、摂動計算、イベントジェネレータ、理論的進展を連携して進めることで、強い結合定数αsのパーミILLEレベルの精度、およびPDF/FFの高精度決定を実現することを提言する。

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.

研究の動機と目的

• 米国エネルギー・フロンティアにおける精度QCD、ハドロン構造、フォワードQCDの現状と将来の見通しを評価すること。
• 高インテンシティLHC、電子-イオンコライダー（EIC）、フォワード物理学施設、および将来のTeVスケールコライダー間の連携可能性を特定すること。
• αs や部分子分布関数（PDF）といったQCDパラメータの精度を1%未塔に高めるために、理論的および実験的進展を連携して推進することを提言すること。
• 将来のコライダーにおける高精度測定を可能にするために、格子QCD、多ループ計算、イベントジェネレータの役割を強調すること。
• レガシーデータの保存と、機械学習などの現代的ツールを用いた再分析が、継続的なQCD研究において重要な役割を果たすことを強調すること。

提案手法

• 精度QCD、ハドロン構造、フォワード/高エネルギーQCDに関する3つのエナジー・フロンティア・トピカルグループ（EF05, EF06, EF07）からの貢献を統合すること。
• Snowmass 2021におけるコライダー物理学、格子QCD、イベントジェネレータ開発に関するホワイトペーパーとコミュニティからのフィードバックを統合すること。
• 高エネルギーと低エネルギーQCD測定を結ぶために、因子化定理と効果的場理論（SMEFT）を用いること。
• 高精度シミュレーションのために、多ループ摂動QCD計算と次々に高次の（NNLO）イベントジェネレータを適用すること。
• 高エネルギー、低x散乱領域を記述するために、フォワード物理学、BFKLダイナミクス、飽和モデルを統合すること。
• 高性能計算とデータ解析パイプラインを活用し、コライダーおよび施設全体にわたるマルチスケールQCDモデリングを支援すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HL-LHCおよび将来のコライダーにおける精度QCD測定は、どのように強い結合定数αsの不確実性をパーミILLEレベルまで低減できるか？
• RQ2 EICおよびBelle IIのデータを用いて、部分子分布関数（PDF）と分岐関数（FF）を1%未塔の精度で決定する見通しはいかほどか？
• RQ3 格子QCDと効果的場理論手法は、非摂動的QCD行列要素の決定をどのように改善し、グローバルPDF解析に与える影響を高められるか？
• RQ4 FCC-hhを含む、多TeVエネルギーにおけるハドロンシャワーとジェット・サブストラクチャのモデル化に必要な理論的・実験的進展は何か？
• RQ5 LEP、SLC、HERAのレガシーデータは、機械学習などの現代的再分析手法を用いて、どのようにQCDの新たな物理的知見を抽出できるか？

主な発見

• 格子QCDと将来のe+e−施設のおかげで、強い結合定数αsの不確実性はほぼ1桁の低減が予想され、パーミILLEレベルの精度に達する。
• レプトン-ハドロンまたはハドロン-ハドロンコライダーを用いて、αsのRG遷移を広い動的範囲でテスト可能となり、QCDダイナミクスの新たな検証が可能になる。
• 将来のヒッグス工場では、ボトムクォーク質量の精度が1%未塔に達すると予想され、QCDおよび標準模型パラメータの厳密なテストが可能になる。
• ハドロンコライダーのデータ、Belle II、および部分子物理学の格子QCD計算から、PDFおよびFFの高精度決定に新たな機会が生まれつつある。
• HL-LHCや将来のコライダーにおける高精度プロセスのシミュレーションには、多ループ摂動QCD計算とNNLOイベントジェネレータが不可欠である。
• LEP、SLC、HERAのレガシーデータは、QCD解析において依然として重要であり、機械学習などの現代的再分析手法を用いることで、新たな物理的知見を引き出せる。