[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出通过强子对撞机中的双 Pomeron-Pomeron 弹性散射探测 QCD瞬子/萨拉米翁过程，该方法通过隔离拓扑非平凡的胶子簇，显著提升信背比。研究识别出特定的独态末态，如 $KK\bar{K}$、$B\bar{B}D\bar{D}$ 和 $\Lambda$ 超子衰变，其具有特定的夸克手征相关性，为通过可观测的强子末态探测非微扰 QCD 效应提供了可行路径。

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.

研究动机与目标

• 识别在强子对撞机中探测 QCD 瞬子/萨拉米翁过程的可行实验信号，尽管该过程在理论上已被理解，但长期未能被观测到。
• 通过利用双弹性（Pomeron-Pomeron）过程，减少标准 $pp$ 碰撞中难以抑制的 QCD 背景。
• 提出特定的独态强子末态，如 $KK\pi$、$KK\bar{K}\bar{K}$ 和 $B\bar{B}D\bar{D}$，其源自六、八和十夸克算符的特定味和手征结构。
• 利用 $\Lambda$ 超子衰变作为探测夸克手征相关性的探针，为拓扑跃迁提供可测量的信号。

提出的方法

• 利用双弹性（Pomeron-Pomeron）碰撞以最大化初始因子并最小化 QCD 背景，因为 Pomeron 交换偏好胶球类及拓扑非平凡态。
• 分析萨拉米翁过程的类作用量与半经典前因子，重点研究隧穿振幅及其对陈-西蒙斯数变化 $\Delta N_{CS} = \pm 1$ 的依赖性。
• 推导出具有特定味和手征结构的六、八和十夸克-反夸克有效算符，如 $(\bar{u}u)(\bar{d}d)(\bar{s}s)$，以描述萨拉米翁衰变的初始态。
• 通过两个横向极化胶子融合形成标量或赝标胶球，利用双重 Mellin 变换与 Regge 化形式推导独态末态的振幅。
• 应用三重引力子耦合与横向无迹极化张量，推导胶球发射的振幅，引入 $\mathbb{B}^{\pm}_{\alpha\beta\bar{\alpha}\bar{\beta}}$ 张量结构。
• 考虑振幅的高能极限，显示其通过 $e^{-\sqrt{\lambda}\tilde{\xi}^2 / 2\tilde{\tau}}$ 实现指数抑制，该因子控制截面的能量依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强子对撞机中，双弹性 Pomeron-Pomeron 碰撞是否相比标准 $pp$ 碰撞能为 QCD 萨拉米翁过程提供更清晰的信号？
• RQ2 由萨拉米翁跃迁中产生的六、八和十夸克算符所对应的独态强子末态是什么？如何在实验上加以区分？
• RQ3 如何利用 $\Lambda$ 超子衰变中的夸克手征相关性作为萨拉米翁诱导过程的信号？
• RQ4 初始因子在决定质量数 $M \sim 3-100\,\text{GeV}$ 的萨拉米翁产生簇的可探测性方面起什么作用？
• RQ5 Regge 化 Pomeron 振幅与 $\tilde{\tau}$ 依赖的抑制如何影响独态胶球与强子末态的截面？

主要发现

• 提出双弹性 Pomeron-Pomeron 碰撞为观测萨拉米翁诱导簇的最优过程，因其能最大化初始因子并最小化 QCD 背景。
• 预测了如 $KK\pi$、$\pi\pi\eta$、$KK\bar{K}\bar{K}$ 和 $B\bar{B}D\bar{D}$ 等独态末态将由具有特定味和手征结构的六、八和十夸克算符产生。
• 通过双重 Mellin 变换与 Regge 化推导出胶球发射的振幅，得到抑制因子 $\sim e^{-\sqrt{\lambda}\tilde{\xi}^2 / 2\tilde{\tau}}$，该因子控制能量依赖性。
• $\mathbb{B}^{\pm}_{\alpha\beta\bar{\alpha}\bar{\beta}}$ 张量结构确保了最终态振幅在宇称、电荷共轭与洛伦兹对称性下的自洽性。
• 识别出 $\Lambda$ 超子衰变中的手征相关性作为潜在可观测信号，因其反映了萨拉米翁过程中底层的拓扑跃迁。
• 本文估计，当簇的不变质量 $M \sim 100\,\text{GeV}$ 时，萨拉米翁产生将变得可行，若初始因子足够增强，则可实现可观测的截面。