[论文解读] Challenging Asymptotic Freedom

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

Computability, Logic, AI Algorithms被引用 11

一句话总结

本文挑戰了量子色動力學（QCD）在高能下具有漸近自由性的長期假設，提出QCD可能實際上是漸近安全的，即在紫外區存在一個相互作用的固定點而非自由的固定點。利用大型強子對撞機（LHC）關於R₃₂噴流比的數據，本文以模型無關的方式，對新色荷粒子的等效數（n_eff）與質量設下限制，顯示目前的數據尚無法排除一個QCD在高能下始終保持強烈耦合、夸克與膠子從未完全自由的漸近安全場景。

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.

研究动机与目标

• 挑戰高能下QCD具有漸近自由性的假設，探討存在相互作用紫外固定點的漸近安全性之替代可能性。
• 測試是否存在超出標準模型的新色荷粒子，可能改變強相互作用耦合常數的跑動，進而導致漸近自由性的喪失。
• 僅使用LHC的純QCD觀測量（特別是R₃₂噴流比），推導出對新物理的模型無關約束。
• 評估目前LHC數據是否能排除QCD為漸近安全而非漸近自由的場景。
• 評估若夸克與膠子在高能下仍保持強烈耦合而非自由，對早期宇宙宇宙學與基礎物理的影響。

提出的方法

• 利用大型強子對撞機（LHC）CMS實驗在高能下測量的R₃₂噴流比，作為探測高至~900 GeV能量尺度下強相互作用耦合常數αₛ的工具。
• 應用基於似然的統計框架（式8），將實驗測得的αₛ值與包含新色荷粒子貢獻的理論預測進行比較，新粒子以n_eff與m_X參數化。
• 利用二圈跑動公式，從M_Z出發推進強耦合常數至更高能量尺度，並納入新物理的有效自由度貢獻。
• 在C_X介於4/3至6之間變動，以測試對表示型態的敏感度，發現對限制結果影響極小。
• 針對固定m_X，以實驗不確定性所導出的機率測度，設定n_eff在95%與68%信賴水準下的上限。
• 將世界平均αₛ(M_Z) = 0.1185視為固定輸入，以減少全局擬合中的不確定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 目前LHC數據能否排除一個QCD非漸近自由的場景，其中強耦合常數趨近於一個相互作用的紫外固定點？
• RQ2 純QCD觀測量（如R₃₂）在多大程度上能約束新色荷粒子的存在，而無需假設其具體量子數？
• RQ3 對新粒子表示型態（如基態與伴隨表示的費米子）的敏感度，透過Casimir算符C_X變化時，對新物理限制有何影響？
• RQ4 若夸克與膠子在高能下仍保持強烈耦合而非自由，對早期宇宙宇宙學有何影響？
• RQ5 若紫外完備理論中不存在Landau極點，是否能與LHC能量下觀測到的αₛ跑動相容？

主要发现

• 目前LHC關於R₃₂噴流比的數據，尚未排除QCD為漸近安全而非漸近自由的場景。
• 分析為不同新物理質量設下95%信賴水準的n_eff上限，當m_X ≈ 620 GeV時，上限可達n_eff = 15（例如一個狄拉克十重態）。
• 對於質量為m_X = 280 GeV的 gluino，n_eff在95%信賴水準下的上限為3，與最小延伸模型一致。
• 限制結果對C_X的變動具有魯棒性，顯示對新色荷粒子具體表示型態不敏感。
• 排除限制為模型無關，僅基於新色荷粒子的等效數與質量，因此具有廣泛適用性。
• 結果暗示夸克與膠子在高能下可能始終無法完全自由，意味著早期宇宙中可能存在強烈耦合的原初等離子體。