[论文解读] 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 5

一句话总结

本份2021年Snowmass报告综合了美国能标前沿在精确量子色动力学（QCD）、强子结构以及前向/高能QCD领域的现状与未来发展方向，倡导在高亮度LHC（HL-LHC）、电子-离子对撞机（EIC）及未来对撞机上，协同推进格点QCD、微扰计算、事件生成器与实验计划的发展，以实现强耦合常数的千分之一精度，以及改进部分子分布函数（PDF）与 fragmentation 函数（FF）的确定。

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.

研究动机与目标

• 评估精确QCD、强子结构及美国能标前沿范围内前向QCD的当前状态与未来前景。
• 识别高亮度LHC、电子-离子对撞机（EIC）、前向物理设施与未来TeV量级对撞机之间的协同效应。
• 倡导理论与实验的协同进步，以实现QCD参数（如αs与部分子分布函数）的亚百分之一精度。
• 强调格点QCD、多圈计算与事件生成器在实现未来对撞机精密测量中的关键作用。
• 强调保存遗留数据并利用机器学习等现代工具重新分析，以支持持续的QCD研究的重要性。

提出的方法

• 整合三个能标前沿专题组（EF05、EF06、EF07）关于精确QCD、强子结构与前向/高能QCD的贡献。
• 综合Snowmass 2021关于对撞机物理、格点QCD与事件生成器开发的白皮书及社区反馈。
• 运用因子化定理与有效场论（SMEFT）连接高能与低能QCD测量。
• 应用多圈微扰QCD计算与下一阶近似（NNLO）事件生成器，实现高精度模拟。
• 整合前向物理、BFKL动力学与饱和模型，以描述高能、低x散射区域。
• 利用高性能计算与数据分析流程，支持跨对撞机与设施的多尺度QCD建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过HL-LHC与未来对撞机的精确QCD测量，将强耦合常数αs的不确定性降低至千分之一量级？
• RQ2 利用EIC与Belle II的数据，确定部分子分布函数（PDFs）与分裂函数（FFs）的亚百分之一精度的前景如何？
• RQ3 格点QCD与有效场论方法如何改进非微扰QCD矩阵元的确定，及其对全局PDF分析的影响？
• RQ4 为在多TeV能量下模拟强子簇射与喷注子结构（特别是FCC-hh），需要哪些理论与实验进展？
• RQ5 如何利用现代工具（如机器学习）对LEP、SLC与HERA的遗留数据进行重新分析，以提取QCD中的新物理洞察？

主要发现

• 预计格点QCD与未来e+e−设施将使强耦合常数αs的不确定性降低近一个数量级，达到千分之一精度水平。
• 利用轻子-强子或强子-强子对撞机，可在大动态范围内测试αs的跑动行为，从而对QCD动力学提出新的检验。
• 未来希格斯粒子工厂有望实现底夸克质量的亚百分之一精度，为QCD与标准模型参数提供严格检验。
• 来自强子对撞机数据、Belle II与部分子物理格点QCD计算的新机遇，正推动PDF与FF的精确测定。
• 多圈微扰QCD计算与下一阶近似（NNLO）事件生成器对HL-LHC与未来对撞机高精度过程的模拟至关重要。
• LEP、SLC与HERA的遗留数据对QCD分析依然至关重要，借助现代重新分析技术（包括机器学习）可揭示新的物理洞察。