Problems in Quantum Chromo Dynamical Field Theory and Beyond

The Standard Model (SM) of particle physics is well established, especially by the recent observation of a Higgslike state. Nevertheless, problems abound.
Within the SM, QCD is well established as the correct theory of strong interactions, but the vacuum is non- trivial, perturbative expansions converge badly and non-linear effects are important. This requires the development of special techniques, where the Lund group is active and has contributed significantly. Some examples are:
- hadronization models and properties;
- parton cascades in hard processes, and their merging with matrix elements;
- underlying events and soft physics in hadronic collisions;
- implications of QCD in searches and studies of new physics;
- low-energy effective theories;
- implications for nonleptonic matrix elements and other low-energy approaches to QCD; and - event generator development and maintenance.
In recent years activities have expanded into model building for physics beyond the SM, with extended Higgs sectors, supersymmetry and new gauge structures as examples. These studies are of relevance both for LHC and astroparticle experiments.
The research of the group is internationally well known and respected, and results are very actively used by the particle physics community. We here apply for the necessary financial support, for personnel, travel and visitors, to allow us to continue and expand this successful program within our existing cohesive environment.

Den s.k. standardmodellen har varit oerhört framgångsrik i att beskriva och förutsäga väsentligen alla observerade partikelfysikfenomen. En viktig komponent i denna modell är QCD, teorin för stark växelverkan. Standardmodellen har dock sina begränsningar, och därför utvecklas modeller som söker gå bortom standardmodellen (BSM). Denna ansökan avser stöd till studier dels av QCD, dels av BSM.
Stark växelverkan är den kraft som fjättrar kvarkarna inuti protonen, men manifesteras också i de krafter som binder protoner och neutroner i atomens kärna. QCD erbjuder sedan fyrtio år en matematisk beskrivning, i förrädiskt kompakta ekvationer, som emellertid döljer en stor komplexitet. Till detta bidrar det faktum att grundtillståndet, vakuum, inte är triviellt och resultatet är en rikedom av olika effekter.
QCD kan utforskas när partiklar bringas att kollidera vid höga energier, t.ex. vid den stora LHC- acceleratoranläggningen vid CERN. Då bestämmes kollisionshändelsernas huvuddrag av snabba processer i ett initialskede, medan många detaljer avgöres i den efterföljande långsammare utvecklingen som sker över längre avstånd. Även många sönderfallsprocesser för instabila partiklar innehåller effekter från båda dessa skalor. Lundagruppen har varit aktiv i studiet av QCD de senaste 40 åren, och har under denna tid bidragit
3 / 81
med flera uppmärksammade rön. Den av oss utvecklade s.k. Lundamodellen beskriver slutfaserna av kollisionsprocesser, när kvarkar och gluoner redan slungats isär och kraftfälten mellan dem leder till produktion av olika observabla partiklar, och den har blivit en internationell standard.
I takt med konstruktionen av kraftfullare acceleratorer har de initiala snabba processerna, med höga impulsöverföringar, fått ökad betydelse. Dessa processer domineras av olika typer av kvark-gluon- kaskader. Störningsräkning är i princip tillämpbar, men beräkningarna kompliceras av stora interferenseffekter. Vi har här aktivt utvecklat nya procedurer som bidragit till ökad förståelse. Dessa procedurer ansluter naturligt till ovannämnda modell för slutskedet. Ännu återstår dock många områden där ytterligare framsteg behövs. Våra studier bygger på en kombination av analytiska och numeriska metoder. Vi har speciellt utvecklat datorprogram som avser att beskriva den gradvisa utvecklingen i en händelse från korta till långa skalor, baserat på slumpval mellan möjliga fysikaliska processer. Dessa s.k. Lundamontecarlon användes världen över för att tolka experimentella resultat och jämföra med teoretiska förutsägelser, samt vid planering av nya experiment.
Analys av kollisioner vid högsta möjliga energi kompletteras med precisionsmätningar vid lägre energier. S.k. kiral störningsteori ger här en effektiv beskrivning, dock med ett antal fria parametrar som måste bestämmas från experiment. Vi har bidragit till att utveckla denna metod till högre precision, vilket t.ex. tillåter en bättre bestämning av massor hos kvarkar och hur dessa sammankopplas genom den svaga kraften. Också andra metoder att beskriva lågenergifenomen utforskas. Dessutom studeras hur sällsynta sönderfall kan användas för att extrahera information om många olika sorters annan fysik, som brott mot fundamentala symmetrier i naturen, sedan osäkerheter från hadronsk fysik har kunnat bemästras.
Hur framgångsrik standardmodellen än varit så rymmer den interna problem, och den förklarar inte närvaron av mörk materia i universum. Det är därför viktigt att utforska möjliga utvidgningar till ny fysik, både med avseende på intern konsistens och mätbara förutsägelser. Upptäckten av en Higgs-liknande partikel vid LHC ställer frågan på sin spets - är detta Higgspartikeln i standardmodellen eller är det första tecknet på ny fysik? Vi har nu en aktiv forskning också på detta område, där nya partiklar och krafter förutsäges.
Utvecklingen inom teori och experiment går hand i hand. Nya experimentella resultat driver fram nya teoretiska lösningar, som i sin tur påverkar experimentell analys och planering. Den starka kraften är ständigt aktuell, dels genom studierna av teorin som sådan med dess analogier inom andra områden, dels eftersom QCD uppträder i processer som har sitt ursprung i andra delar av en mer fullständig teori, som produktion av Higgspartiklar, supersymmetriska partiklar eller andra nya fenomen. Därigenom flätas de olika aktiviteterna i gruppen samman.