Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching...

35
Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald DESY Festkolloquium Fridger Schrempp, February 19th, 2008, DESY

Transcript of Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching...

Page 1: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

Instantons/Sphalerons:

Searching for New Physics within the Standard Model

Andreas Ringwald

DESY

Festkolloquium Fridger Schrempp, February 19th, 2008, DESY

Page 2: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 1

1. Introduction

• Standard Model of electroweak(QFD) and strong (QCD) inter-actions extremely successful

⇐ Ordinary perturbation theory

• There are processes inaccessible toordinary perturbation theory

[Adler ‘69; Bell,Jackiw ‘69; Bardeen ‘69]

B+L/ Chirality-violating processes inQFD/QCD

• Induced by topological fluctuationsof non-Abelian gauge fields, inparticular instantons

[Belavin et al. ‘75; ‘t Hooft ‘76]

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 3: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 2

1. Introduction

• Standard Model of electroweak(QFD) and strong (QCD) inter-actions extremely successful

⇐ Ordinary perturbation theory

• There are processes inaccessible toordinary perturbation theory

[Adler ‘69; Bell,Jackiw ‘69; Bardeen ‘69]

B+L/Chirality-violating processes inQFD/QCD

• Induced by topological fluctuationsof non-Abelian gauge fields, inparticular instantons

[Belavin et al. ‘75; ‘t Hooft ‘76]

4(B + L) = −6:

IW/Sph bL

bL

tL

sL

sL

cL

dL

dL

uL

νe

νµ

ντ

1

4Q5 = 6:

Is

uL uR

dL dR

sL sR

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 4: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 3

1. Introduction

• Standard Model of electroweak(QFD) and strong (QCD) inter-actions extremely successful

⇐ Ordinary perturbation theory

• There are processes inaccessible toordinary perturbation theory

[Adler ‘69; Bell,Jackiw ‘69; Bardeen ‘69]

B+L/Chirality-violating processes inQFD/QCD

• Induced by topological fluctuationsof non-Abelian gauge fields, inparticular instantons

[Belavin et al. ‘75; ‘t Hooft ‘76]

• B + L/Q5 are anomalous,

∆(B + L) = −2ng ∆NCS[W ]

∆Q5 = 2nf ∆NCS[G]

• Topological fluctuations of the

gauge fields W/G, i.e. fluctuations

with integer 4NCS 6= 0, induce

anomalous processes

• Instanton: lowest Euclidean action

configuration with ∆NCS = 1 ⇒tunneling

• Sphaleron: lowest static energy

configuration with NCS = 1/2 ⇒barrier

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 5: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 4

1. Introduction

• Standard Model of electroweak(QFD) and strong (QCD) inter-actions extremely successful

⇐ Ordinary perturbation theory

• There are processes inaccessible toordinary perturbation theory

[Adler ‘69; Bell,Jackiw ‘69; Bardeen ‘69]

B+L/Chirality-violating processes inQFD/QCD

• Induced by topological fluctuationsof non-Abelian gauge fields, inparticular instantons

[Belavin et al. ‘75; ‘t Hooft ‘76]

sphaleronE

N0 1cs

instanton

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 6: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 5

• Theory: Topological gauge field fluctuations and associated anomalousprocesses are predicted to play very important role in

– QCD in various long-distance aspects: [...; Shuryak; ...]

∗ U(1)A problem (mη′ � mη) [‘t Hooft ‘76; ...]

– QFD at high temperatures: [Kuzmin,Rubakov,Shaposhnikov ‘85; ...]

∗ Crucial impact on baryon and lepton asymmetries of the universe

• Experiment: Are they directly observable in high energy reactions?

– QFD: Intense studies in early 1990s; inconclusive [AR ‘90; Espinosa ‘90; ...]

– QCD: Hard instanton induced processes in deep-inelastic lepton-hadronscattering or in virtual γ/W/Z production at hadron colliders∗ reliably calculable and sizeable rate

[...; Moch,AR,F.Schrempp ‘97; F.Schrempp ‘05; Brandenburg,AR,Utermann ‘06; F.Schrempp,M.Petermann ‘08]

∗ characteristic final state “fireball” signature [AR,F.Schrempp ‘94–‘01]

∗ first encouraging search results from HERA I data [H1 ‘02; ZEUS ‘04]

∗ looking forward to search in HERA II data and at LHC

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 7: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 6

Outline:

2. Evidence for QCD-Instantons in the Vacuum

3. Searches for QCD-Instantons at HERA

4. Conclusions and Outlook

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 8: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 7

2. Evidence for QCD-Instantons in the Vacuum

• Euclidean functional integral formulation of QCD,

〈O〉 =1Z

∫[dA][dψ][dψ]O[A,ψ, ψ] e−S[A,ψ,ψ] ,

Z =∫

[dA][dψ][dψ] e−S[A,ψ,ψ] .

• Perturbation theory:◦ perturbative QCD: expansion about trivial vacuum solution, i.e.

vanishing gluon field and vanishing quark fields and thus vanishingEuclidean action, S = 0.

◦ instanton perturbation theory: generalized saddle-point expansion ofthe Euclidean functional integral about non-trivial minima of theEuclidean action, S 6= 0.

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 9: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 8

• Non-trivial minima (⇔ solutions) have integer Pontryagin index(topological charge)

Q ≡ αs2π

∫d4x

12tr(GµνG̃µν) ≡ 4NCS = ±1,±2, . . . ,

and their action is a multiple of 2π/αs,

S ≡∫d4x

12tr(GµνGµν) =

2παs|Q| = 2π

αs· (1, 2, . . .).

⇒ Dominant saddle-point for αs � 1: | Q |= 1

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 10: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 9

⇒ Instanton (Q = 1): [Belavin et al. ‘75; ‘t Hooft ‘76; Callan,Dashen,Gross ‘76; Jackiw,Rebbi ‘76]

A(I)µ (x; ρ, U, x0) = − i

g

ρ2

(x− x0)2Uσµ (x− x0)− (xµ − x0µ)

(x− x0)2 + ρ2U†

◦ size ρ, color orientation U , position x0

◦ localized in Euclidean space and time (“instantaneous”)

L(A(I)µ (x; ρ, U, 0)

)=

12παs

· ρ4

(x2 + ρ2)4

⇒ S[A(I)µ

]=

2παs

L(z,t)

6

5

4

3

2

1

0

t0.4

0.20

-0.2-0.4 z

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

Page 1

◦ tunneling between topologically inequivalent (4NCS = 1) vacua

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 11: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 10

• Instanton-contribution to vacuum-to-vacuum amplitude, Z(I) = 〈0|0〉(I):

1Z(0)

dZ(I)

d4x=

∞∫0

dρDm(ρ)∫dU

• Size distribution Dm(ρ) known in instanton perturbation theory[‘t Hooft ‘76; Bernard ‘79]

αs(µr) ln(ρµr) � 1, ρmi(µr) � 1,

in 2-loop renormalization-group invariant form, [Morris et al. ‘85]

dnId4x dρ

= Dm(ρ) = D(ρ)nf∏i=1

(ρmi(µr)) (ρµr)nf γ0αs(µr)

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 12: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 11

• Suppression of instanton contribution to the vacuum-to-vacuumamplitude for small quark masses ρmi � 1:

⇐ Axial anomaly: [Adler ‘69; Bell, Jackiw ‘69]

Any gauge field fluctuation with topological charge Q must beaccompanied by a corresponding change in axial charge, 4Q5 = 2nf Q

⇒ pure vacuum-to-vacuum transitions vanish in massless limit⇒ Green’s functions corresponding to anomalous Q5 violation: [‘t Hooft ‘76]

Is

uL uR

dL dR

sL sR

∗ main contribution due to instantons (fermionic zero modes)∗ do not suffer from any mass suppression

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 13: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 12

• Reduced size distribution D(ρ):

D(ρ) =d

ρ5

(2π

αs(µr)

)2Nc

e−2π

αs(µr) (ρµr)β0+(β1−4Ncβ0)αs(µr)

• Clearly non-perturbative: ∝ e−2π

αs(µr)

• Power-law behaviour of (reduced) size distribution,

D(ρ) ∼ ρβ0−5+O(αs); β0 =113Nc −

23nf

◦ dominant contribution to ρ integral generically originates from large ρ◦ spoils the applicability of instanton perturbation theory, αs(1/ρ) � 1

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 14: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 13

• Size distribution basic building block of instanton perturbation theory:

◦ appears in generic instanton contributions to Green’s functions⇒ important to know the region of validity of the perturbative result

• Crucial information from lattice investigations on the topologicalstructure of the QCD vacuum

– Evidence for topological charge fluctuations: e.g. [Chu et. al ‘94]

Lagrange density (raw data)

t

z510

1520

5

10

15

2

3

4

510

1520

5

10

15

2

3

4

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 15: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 14

• Size distribution basic building block of instanton perturbation theory:

◦ appears in generic instanton contributions to Green’s functions⇒ important to know the region of validity of the perturbative result

• Crucial information from lattice investigations on the topologicalstructure of the QCD vacuum

– Evidence for topological charge fluctuations: e.g. [Chu et. al ‘94]

Lagrange density (smoothed)

t

z510

1520

5

10

15

0

0.01

0.02

0.03

510

1520

5

10

15

0

0.01

0.02

0.03

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 16: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 15

• Size distribution basic building block of instanton perturbation theory:

◦ appears in generic instanton contributions to Green’s functions⇒ important to know the region of validity of the perturbative result

• Crucial information from lattice investigations on the topologicalstructure of the QCD vacuum

– Evidence for topological charge fluctuations: e.g. [Chu et. al ‘94]

Topological charge density (smoothed)

t

z510

1520

5

10

15

-0.0010

0.001

0.002

510

1520

5

10

15

-0.0010

0.001

0.002

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 17: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 16

– Small size topological charge fluctuations ≡ QCD-instantons:[AR,F. Schrempp ‘99]

⇒ Instanton perturbation theory reliable for ρΛMS<∼ 0.4

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 18: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 17

– Small size topological charge fluctuations ≡ QCD-instantons:[AR,F. Schrempp ‘99]

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 19: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 18

• First principle calculations of instanton contributions only possible forquantities to which large size instantons do not contribute:

– Short-distance coefficient functions in the operator product expansionof two-point functions [Andrei,Gross ‘78;...;Novikov et al. ‘80;...; Balitsky,Braun ‘93]

Problem:∗ No physics-wise relevant two-point function known which receives

contribution solely from instantons→ Instanton contribution typically hidden beyond large perturbative

background– Unique possibilities: Anomalous 4Q5 = ±2nf hard scattering

processes, in particular deep-inelastic lepton-hadron scattering andvirtual γ/W/Z production in hadron scattering

[Moch,AR,F.Schrempp ‘97; F.Schrempp ‘05; Brandenburg,AR,Utermann ‘06; F.Schrempp,Petermann ‘08]

→ In mq = 0 limit, receive contributions only from instantons→ Large size instantons exponentially suppressed by form factors ∝

e−Qρ, where Q is the hard scale (virtuality) of the process

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 20: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 19

• Deep-inelastic scattering: [Moch,AR,F.Schrempp ‘97]

���

�������� �����

������� �� �� ���� �

������� � � �

� �����

• Virtual γ/W/Z production: [F.Schrempp ‘05; Brandenburg et al. ‘06; F.Schrempp,Petermann ‘08]

I ' +

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 21: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 20

3. Searches for QCD-Instantons at HERA

• Natural scale: sphaleron energy

Msp ∼π

αg ρ∼

{10 TeV in QFD10 GeV in QCD

[Klinkhamer,Manton ‘84;..;AR,F.Schrempp ‘94-‘01;..]

⇒ Anomalous processes inQFD: VLHC (> 20??)QCD: HERA (≤ ‘07), LHC (≥ ‘08)

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 22: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 21

3. Searches for QCD-...

• Natural scale: sphaleron energy

Msp ∼π

α ρ∼

{10 TeV in QFD10 GeV in QCD

[Klinkhamer,Manton ‘84;..;AR,F.Schrempp ‘94-‘01;..]

⇒ Anomalous processes inQFD: VLHC (> 20??)QCD: HERA (≤ ‘07), LHC (≥ ‘08)

⇒ Search for QCD-instantons in had-ronic final state at HERA and LHC

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 23: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 22

Event generator QCDINS

[AR,F.Schrempp ‘94-‘01; Gibbs,AR,F.Schrempp ‘95]

• Hard subprocess:

– isotropic in q′g CM– flavour democratic– large parton multiplicity

〈nq + ng〉 = 2nf − 1 +O(1)/αs >∼ 8

• Parton shower:

HERWIG

• Hadronization:

HERWIG/JETSET[AR,F.Schrempp ‘94]

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 24: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 23

Event generator QCDINS

[AR,F.Schrempp ‘94-‘01; Gibbs,AR,F.Schrempp ‘95]

• Hard subprocess:

– isotropic in q′g CM– flavour democratic– large parton multiplicity

〈nq + ng〉 = 2nf − 1 +O(1)/αs >∼ 8

• Parton shower:

HERWIG

• Hadronization:

HERWIG/JETSET

q

I

k

IW 2 2

q

ee

Ws

Pg = Pz

���

��������� �����������

������

� ���-10

0

10 -10

0

10

-10

0

10

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 25: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 24

Event generator QCDINS

[AR,F.Schrempp ‘94-‘01; Gibbs,AR,F.Schrempp ‘95]

• Hard subprocess:

– isotropic in q′g CM– flavour democratic– large parton multiplicity

〈nq + ng〉 = 2nf − 1 +O(1)/αs >∼ 8

• Parton shower:

HERWIG

• Hadronization:

HERWIG/JETSET

q

I

k

IW 2 2

q

ee

Ws

Pg = Pz

���

��������� �����������

�������

� �����-10

12

3

0

2

4

60

2

4

6

8

10

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 26: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 25

Event generator QCDINS

[AR,F.Schrempp ‘94-‘01; Gibbs,AR,F.Schrempp ‘95]

• Hard subprocess:

– isotropic in q′g CM– flavour democratic– large parton multiplicity

〈nq + ng〉 = 2nf − 1 +O(1)/αs >∼ 8

• Parton shower:

HERWIG

• Hadronization:

HERWIG/JETSET

q

I

k

IW 2 2

q

ee

Ws

Pg = Pz

ηlab

φ lab

E

[G

eV]

T-2 0 2 4 6 8-3

-2-1

01

23

0

0.5

1

1.5

2

2.5

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 27: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 26

Such “fireballs” have been observed at HERA ...

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 28: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 27

H1/ZEUS searches at HERA I

[H1 ‘02; ZEUS ‘04]

• Instanton-enriched samples bycuts on discriminating obser-vables

• Large uncertainties in predic-tions of normal processes fromdifferent event generators

⇒ Upper limits on instanton-induced cross section; about afactor three above predictions

• Larger statistics from HERA IIallow harder cuts⇒may reachhigher instanton separationpower εI/εsDIS

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

50

100

150

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

50

100

150

BSph

Eve

nts H1

100 200 3000

50

100

100 200 3000

50

100

]2 [GeVrec ,2Q

Eve

nts

0 5 10 15 200

100

200

0 5 10 15 200

100

200

Bn

Eve

nts

0 5 10 15 20 250

50

100

0 5 10 15 20 250

50

100

[GeV]t, BE

Eve

nts

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

50

100

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

50

100

B∆

Eve

nts

0 5 10 150

50

100

0 5 10 150

50

100

[GeV]t, JetE

Eve

nts H1 Data 96+97

MEPS

CDM

QCDINS

[H1 ‘02]

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 29: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 28

The H1 excess:

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

50

100

150

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

50

100

150

BSph

Eve

nts H1

100 200 3000

50

100

100 200 3000

50

100

]2 [GeVrec ,2Q

Eve

nts

0 5 10 15 200

100

200

0 5 10 15 200

100

200

Bn

Eve

nts

0 5 10 15 20 250

50

100

0 5 10 15 20 250

50

100

[GeV]t, BE

Eve

nts

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

50

100

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

50

100

B∆

Eve

nts

0 5 10 150

50

100

0 5 10 150

50

100

[GeV]t, JetE

Eve

nts H1 Data 96+97

MEPS

CDM

QCDINS

... intriguing, but inconclusive ...

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 30: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 29

H1/ZEUS searches at HERA I

[H1 ‘02; ZEUS ‘04]

• Instanton-enriched samples bycuts on discriminating obser-vables

• Large uncertainties in predic-tions of normal processes fromdifferent event generators

⇒ Upper limits on instanton-induced cross section; about afactor three above predictions

• Larger statistics from HERA IIallow harder cuts⇒may reachhigher instanton separationpower εI/εsDIS

ZEUS

(GeV)jetTp

0 2 4 6 8 10 12

)-1

(G

eVje

tT

dN

/dp

evt

1/N

10-2

10-1

ZEUS 96-97 (uncorrected)DJANGOHHERWIGQCDINS

EFON0 10 20 30 40 50 60 70 80

EF

O d

N/d

Nev

t1/

N

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

EFTN0 2 4 6 8 10 12 14

EF

T d

N/d

Nev

t1/

N

10-3

10-2

10-1

C0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

dN

/dC

evt

1/N

0

0.05

0.1

0.15

(a)

(b)

(c) (d)

1

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 31: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 30

H1/ZEUS searches at HERA I

[H1 ‘02; ZEUS ‘04]

• Instanton-enriched samples bycuts on discriminating obser-vables

• Large uncertainties in predic-tions of normal processes fromdifferent event generators

⇒ Upper limits on instanton-induced cross section; about afactor three above predictions

• Larger statistics from HERA IIallow harder cuts⇒may reachhigher instanton separationpower εI/εsDIS

cro

ss-s

ecti

on

[p

b]

2 < 80 GeV 260 < Q’ 2 < 100 GeV 280 < Q’

cro

ss-s

ecti

on

[p

b]

2 < 120 GeV 2100 < Q’ 2 < 140 GeV 2120 < Q’

2

3

4

2

3

4

2

3

4

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

10

10

10

10

1

10

10

10

1

10

10

10

10

10

1

�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������

������������������������������

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������

��������������������

cro

ss-s

ecti

on

[p

b]

x’

x’

:INSσExcluded MC-Independent

MEPS background Model

CDM background Model

QCDINS calculations: predictedINSσ

extrapolatedINSσ140 < Q’ 2 < 160 GeV 2 for Q’ > 113 GeV , x’ >0.35 2 2

H1 Instanton Limits

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 32: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 31

H1/ZEUS searches at HERA I

[H1 ‘02; ZEUS ‘04]

• Instanton-enriched samples bycuts on discriminating obser-vables

• Large uncertainties in predic-tions of normal processes fromdifferent event generators

⇒ Upper limits on instanton-induced cross section; about afactor three above predictions

• Larger statistics from HERA IIallow harder cuts⇒may reachhigher instanton separationpower εI/εsDIS

[F. Schrempp ‘04]

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 33: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 32

Fridger’s summary on the H1/ZEUS “excess” at HERA I:

⇒ increases with separation power ... encouragement for HERA II!

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 34: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 33

4. Conclusions and Outlook

• Instantons/sphalerons and the associated anomalous processes are

– a solid prediction of QCD and QFD– of fundamental significance∗ for a solution to the U(1)A problem∗ for an understanding of the matter–antimatter asymmetry of the

universe

⇒ Mandatory to search for them in collider experiments!

• Searches at HERA I: inconclusive, but encouraging results

• Searches at HERA II: H1 and ZEUS should not miss this opportunity!

• Searches at LHC: ground is laid ...

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

Page 35: Searching for New Physics within the Standard Model ...ringwald/talks/fridgerfest.pdf · Searching for New Physics within the Standard Model Andreas Ringwald Festkolloquium Fridger

– Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 34

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY