Instantons/Sphalerons

Searching for New Physics within the Standard Model

Andreas Ringwald

DESY

Festkolloquium Fridger Schrempp, February 19th, 2008, DESY – 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 to ordinary perturbation theory [Adler ‘69; Bell,Jackiw ‘69; Bardeen ‘69] B+L/ Chirality-violating processes in QFD/QCD • Induced by topological ﬂuctuations of non-Abelian gauge ﬁelds, in particular instantons [Belavin et al. ‘75; ‘t Hooft ‘76]

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 2 1. Introduction 4(B + L) = −6:

sL • Standard Model of electroweak s L tL (QFD) and strong (QCD) inter- c b actions extremely successful L L

d I b ⇐ Ordinary perturbation theory L W /Sph L

d ν • There are processes inaccessible to L τ ν ordinary perturbation theory uL µ νe [Adler ‘69; Bell,Jackiw ‘69; Bardeen ‘69] 4Q5 = 6: B+L/Chirality-violating processes in uL uR QFD/QCD

• Induced by topological ﬂuctuations dL Is dR of non-Abelian gauge ﬁelds, in particular instantons sL sR [Belavin et al. ‘75; ‘t Hooft ‘76]

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

1 – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 3 1. Introduction

• Standard Model of electroweak • B + L/Q5 are anomalous, (QFD) and strong (QCD) inter- ∆(B + L) = −2 n ∆N [W ] actions extremely successful g CS ∆Q5 = 2 nf ∆NCS[G] ⇐ Ordinary perturbation theory • Topological fluctuations of the • There are processes inaccessible to gauge fields W/G, i.e. fluctuations ordinary perturbation theory with integer 4NCS 6= 0, induce [Adler ‘69; Bell,Jackiw ‘69; Bardeen ‘69] anomalous processes • Instanton: lowest Euclidean action B+L/Chirality-violating processes in configuration with ∆NCS = 1 ⇒ QFD/QCD tunneling • Induced by topological fluctuations • Sphaleron: lowest static energy of non-Abelian gauge fields, in configuration with NCS = 1/2 ⇒ barrier particular instantons [Belavin et al. ‘75; ‘t Hooft ‘76]

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 4 1. Introduction • Standard Model of electroweak (QFD) and strong (QCD) inter- actions extremely successful E ⇐ Ordinary perturbation theory sphaleron • There are processes inaccessible to ordinary perturbation theory [Adler ‘69; Bell,Jackiw ‘69; Bardeen ‘69] B+L/Chirality-violating processes in instanton QFD/QCD 0 1 N cs • Induced by topological ﬂuctuations of non-Abelian gauge ﬁelds, in particular instantons [Belavin et al. ‘75; ‘t Hooft ‘76]

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 5 • Theory: Topological gauge ﬁeld ﬂuctuations and associated anomalous processes are predicted to play very important role in

– QCD in various long-distance aspects: [...; Shuryak; ...] ∗ U(1)A problem (mη0 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-hadron scattering 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 – 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 – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 7 2. Evidence for QCD-Instantons in the Vacuum

• Euclidean functional integral formulation of QCD, 1 Z hOi = [dA][dψ][dψ] O[A, ψ, ψ] e−S[A,ψ,ψ] , Z Z 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 vanishing Euclidean action, S = 0. ◦ instanton perturbation theory: generalized saddle-point expansion of the Euclidean functional integral about non-trivial minima of the Euclidean action, S 6= 0.

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 8 • Non-trivial minima (⇔ solutions) have integer Pontryagin index (topological charge)

α Z 1 Q ≡ s d4x tr(G G˜ ) ≡ 4N = ±1, ±2,..., 2π 2 µν µν CS

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

Z 4 1 2 π 2 π S ≡ d x tr(GµνGµν) = |Q| = · (1, 2,...). 2 αs αs

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

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

2 (I) i ρ σµ (x − x0) − (xµ − x0µ) † Aµ (x; ρ, U, x0) = − 2 U 2 2 U g (x − x0) (x − x0) + ρ

◦ size ρ, color orientation U, position x0 ◦ localized in Euclidean space and time (“instantaneous”) (I) L Aµ (x; ρ, U, 0)

4 6 12 ρ 5 = · 2 2 4 4 παs (x + ρ ) L(z,t)3 2 h (I)i 2 π 1 -0.4 ⇒ S Aµ = 0 -0.2 α -0.4 0z s -0.2 0 0.2 t 0.2 0.4 0.4

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

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Page 1 – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 10 • Instanton-contribution to vacuum-to-vacuum amplitude, Z(I) = h0|0i(I):

∞ 1 dZ(I) Z Z = dρ D (ρ) dU Z(0) d4x m 0

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

αs(µr) ln(ρ µr) 1, ρ mi(µr) 1,

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

nf dnI Y αs(µr) = D (ρ) = D(ρ) (ρ m (µ )) (ρ µ )nf γ0 4π d4x dρ m i r r i=1

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 11 • Suppression of instanton contribution to the vacuum-to-vacuum amplitude for small quark masses ρmi 1:

⇐ Axial anomaly: [Adler ‘69; Bell, Jackiw ‘69] Any gauge ﬁeld ﬂuctuation with topological charge Q must be accompanied by a corresponding change in axial charge, 4Q5 = 2 nf Q ⇒ pure vacuum-to-vacuum transitions vanish in massless limit ⇒ Green’s functions corresponding to anomalous Q5 violation: [‘t Hooft ‘76]

uL uR

dL Is 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 – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 12 • Reduced size distribution D(ρ):

2 Nc d 2π − 2π αs(µr) αs(µr) β0+(β1−4 Ncβ0) 4π D(ρ) = 5 e (ρ µr) ρ αs(µr)

− 2π • Clearly non-perturbative: ∝ e αs(µr) • Power-law behaviour of (reduced) size distribution,

11 2 D(ρ) ∼ ρβ0−5+O(αs); β = N − n 0 3 c 3 f

◦ 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 – 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 topological structure of the QCD vacuum

– Evidence for topological charge ﬂuctuations: e.g. [Chu et. al ‘94] Lagrange density (raw data)

4 3 15 2 10 5 z 10 5 t 15 20

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY – 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 topological structure of the QCD vacuum

– Evidence for topological charge ﬂuctuations: e.g. [Chu et. al ‘94] Lagrange density (smoothed)

0.03

0.02 15 0.01 0 10 5 10 5 z 15 t 20

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY – 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 topological structure of the QCD vacuum

– Evidence for topological charge ﬂuctuations: e.g. [Chu et. al ‘94] Topological charge density (smoothed)

0.002 0.001 15 0 -0.001 10 5 10 5 z 15 t 20

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY – 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 ρ ΛMS ∼ 0.4

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY – 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 – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 18 • First principle calculations of instanton contributions only possible for quantities to which large size instantons do not contribute: – Short-distance coeﬃcient functions in the operator product expansion of 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 = ±2 nf hard scattering processes, in particular deep-inelastic lepton-hadron scattering and virtual 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 – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 19

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

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

I + '

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 20 3. Searches for QCD-Instantons at HERA

• Natural scale: sphaleron energy π 10 TeV in QFD Msp ∼ ∼ αg ρ 10 GeV in QCD

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

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

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 21 3. Searches for QCD-...

• Natural scale: sphaleron energy π 10 TeV in QFD M ∼ ∼ sp α ρ 10 GeV in QCD

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

⇒ Anomalous processes in QFD: 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 – 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 q0g CM – ﬂavour democratic – large parton multiplicity

> hnq + ngi = 2 nf − 1 + O(1)/αs ∼ 8

• Parton shower: HERWIG

• Hadronization: [AR,F.Schrempp ‘94] HERWIG/JETSET

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 23

e’ Event generator QCDINS e k [AR,F.Schrempp ‘94-‘01; Gibbs,AR,F.Schrempp ‘95] q

q’ s • Hard subprocess: 2 2 I W I W – isotropic in q0g CM g = z P – ﬂavour democratic P – large parton multiplicity

hnq + ngi = 2 nf − 1 + O(1)/αs ∼ 8 10 ¢¡ 0

• Parton shower: £¥¤§¦¨¦ ©¥ ¤¦¨ HERWIG -10

-10 0 10 • Hadronization:

0 ¢ HERWIG/JETSET 10 -10

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 24

Event generator QCDINS e’ e k [AR,F.Schrempp ‘94-‘01; Gibbs,AR,F.Schrempp ‘95] q

q’ s • Hard subprocess: 2 2 I W I W – isotropic in q0g CM g = z P – ﬂavour democratic P – large parton multiplicity

> 10 hnq + ngi = 2 nf − 1 + O(1)/αs ∼ 8 8 £¥¤§¦¨¦ ©¥ ¤¦¨

¢¡ 6 • Parton shower: 4 HERWIG 2 0 6

4 ¨ 3 • Hadronization: 2 2 1

0 ¨ HERWIG/JETSET 0 -1

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 25

e’ Event generator QCDINS e q k [AR,F.Schrempp ‘94-‘01; Gibbs,AR,F.Schrempp ‘95] q’ s 2 2 • Hard subprocess: I W I W 0 – isotropic in q g CM g = z P – ﬂavour democratic P – large parton multiplicity

> hnq + ngi = 2 nf − 1 + O(1)/αs ∼ 8

• Parton shower: 2.5

T 2

HERWIG E [GeV] 1.5

0.5 • Hadronization: 3 2 0 1 0 φ HERWIG/JETSET -2 0 -1 lab 2 4 6 8 -2 ηlab -3 A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 26 Such “ﬁreballs” have been observed at HERA ...

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 27 H1/ZEUS searches at HERA I

[H1 ‘02; ZEUS ‘04] • Instanton-enriched samples by cuts on discriminating obser- vables 100 150 H1 200

• Large uncertainties in predic- Events 100 Events Events 50 100 tions of normal processes from 50

0 0 0 diﬀerent event generators 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 100 200 300 0 5 10 15 20 ,2 2 n SphB Qrec [GeV ] B 100 ⇒ Upper limits on instanton- 100 H1 Data 96+97 MEPS 100 CDM Events Events Events induced cross section; about a QCDINS 50 50 factor three above predictions 50

0 0 0 0 5 10 15 20 25 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 5 10 15 • Larger statistics from HERA II Et, B [GeV] ∆B Et, Jet [GeV] allow harder cuts ⇒ may reach higher instanton separation [H1 ‘02] power I/sDIS A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 28 The H1 excess:

100 150 H1 200

Events 100 Events Events 50 100 50

0 0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 100 200 300 0 5 10 15 20 ,2 2 n SphB Qrec [GeV ] B 100 100 H1 Data 96+97 MEPS 100 CDM Events Events Events QCDINS 50 50 50

0 0 0 0 5 10 15 20 25 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 5 10 15 Et, B [GeV] ∆B Et, Jet [GeV]

... intriguing, but inconclusive ...

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 29 H1/ZEUS searches at HERA I ZEUS

[H1 ‘02; ZEUS ‘04] ) -1 ZEUS 96-97 (uncorrected) (b) DJANGOH EFO (a) -2 • Instanton-enriched samples by HERWIG 10

(GeV QCDINS jet T -1 cuts on discriminating obser- 10 dN/dN -3

evt 10

vables 1/N -4 dN/dp 10 evt

-5 1/N -2 • Large uncertainties in predic- 10 10

-6 tions of normal processes from 10 0 2 4 6 8 10 12 0 10 20 30 40 50 60 70 80 jet diﬀerent event generators pT (GeV) NEFO

EFT (c) (d) ⇒ Upper limits on instanton- -1 0.15 10 dN/dC

induced cross section; about a evt dN/dN evt factor three above predictions 1/N 0.1 1/N -2 10 • Larger statistics from HERA II 0.05

allow harder cuts ⇒ may reach -3 10 0 higher instanton separation 0 2 4 6 8 10 12 14 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 NEFT C power I/sDIS A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY

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

H1/ZEUS searches at HERA I

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10 ¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦

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[H1 ‘02; ZEUS ‘04] ¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦

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10 3 ¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦

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• Instanton-enriched samples by ¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦

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cross-section [pb]

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cuts on discriminating obser- 10 ¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡¦

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vables 10 60 < Q' 2 < 80 GeV 2 80 < Q' 2 < 100 GeV 2

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tions of normal processes from ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

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3 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

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¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡ ¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤ ¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡ diﬀerent event generators ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

cross-section [pb]

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2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

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10 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

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©¡©¡©¡©¡©¡©¡©¡©¡©¡©¡©¡©¡© ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ⇒ Upper limits on instanton- 10 2 2 100 < Q' < 120 GeV 120 < Q' 2 < 140 GeV 2 induced cross section; about a 1

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡ ¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢ x'

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10 ¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢

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factor three above predictions ¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ H1 Instanton Limits ¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢

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3 ¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢ Excluded :

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10 ¡¡ INS

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¡¡ MC-Independent

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• Larger statistics from HERA II ¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢ ¡ ¡

2 ¡ ¡ CDM background Model

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10 ¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢

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¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢ QCDINS calculations:

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¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ allow harder cuts ⇒ may reach ¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢¡¢ σ predicted 10 INS 2 2 140 < Q' 2 < 160 GeV 2 for Q' > 113 GeV , x' >0.35 σ higher instanton separation INS extrapolated 1 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 power I/sDIS x' A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 31 H1/ZEUS searches at HERA I

[H1 ‘02; ZEUS ‘04] • Instanton-enriched samples by cuts on discriminating obser- vables • Large uncertainties in predictions of normal processes from diﬀerent event generators ⇒ Upper limits on instanton- induced cross section; about a factor three above predictions • Larger statistics from HERA II allow harder cuts ⇒ may reach

higher instanton separation [F. Schrempp ‘04] power I/sDIS A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY – 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 – 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 – Instantons/Sphalerons: Searching for New Physics within the SM – 34

A. Ringwald (DESY) Festkolloquium Fridger Schrempp, DESY