On Glueballs, Pomeron, and Odderon in Holographic Quantum Chromodynamics: From Hadron Spectroscopy to Collider Phenomenology

Abstract

Quantenchromodynamik (QCD) ist die weithin akzeptierte Theorie, die die Dynamik von Quarks und Gluonen, den Austauschteilchen der starken Wechselwirkung, beschreibt. Während viele Eigenschaften von Hadronen, Bindungszuständen aus Quarks und Gluonen, durch die konstituierenden Quarks erklärt werden können, spielen Gluonen eine prominente Rolle bei der Erzeugung von Masse, hochenergetischen Streuprozessen und dem zugrundeliegenden Confinement. Eine der bemerkenswertesten Vorhersagen der QCD ist die Existenz von Glueballs, Bindungszuständen, die nur aus Valenzgluonen bestehen. Während ihre Existenz von Computersimulationen bestätigt wird, sind eindeutige experimentelle Nachweise ausstehend und theoretische Vorhersagen oft nicht untereinander kompatibel.Die Entwicklung von Hochenergiebeschleunigern, die in dem Bau des Large Hadron Colliders (LHC) am CERN gipfelte, hat eine breite Landschaft an gluonendominierten Phänomenen offenbart. Das Pomeron, welches ursprünglich postuliert wurde, um den Anstieg totaler Wirkungsquerschnitte in Hochenergiedaten zu erklären, wird heute als eine fundamentale Vorhersage der QCD in Form von kollektiven Wechselwirkungen von Gluonen verstanden. Obwohl nicht unumstritten, hat die jüngste Entdeckung des Odderons am LHC und Tevatron, der Partner des Pomerons mit ungerader Ladungsparität, das Potenzial, unser Verständnis der starken Wechselwirkung durch die Untersuchung grundlegender Prozesse, die mit ihm verbunden sind, erheblich zu vertiefen.In den letzten drei Jahrzehnten hat sich ein neuer Ansatz zum Verständnis der grundlegenden Natur stark gekoppelter Systeme entwickelt, der als AdS/CFT-Korrespondenz bekannt ist. Diese Dualität, die ursprünglich zwischen hochsymmetrischen Superstring- und Feldtheorien formuliert wurde, hat erfolgreiche Anwendungen in weniger symmetrischen Systemen gefunden, was zur Konstruktion der holographischen QCD führte. In dieser Arbeit untersuchen wir, inwieweit die stark gekoppelte Phase der QCD durch eine schwach gekoppelte, höherdimensionale Gravitationstheorie beschrieben werden kann. Wir untersuchen die Eigenschaften von Glueballs durch holographische Hadronenspektroskopie mittels einer Branenkonstruktion in Typ IIA Superstringtheorie. Dieser Ansatz ermöglicht die Bestimmung von Massen, Zerfallskanälen und Mischungen von Glueballs. Darüber hinaus konstruieren wir holographische Bottom-up-Modelle, um Daten von Hochenergiebeschleunigern im Regge-Regime zu analysieren, wobei besonderes Augenmerk auf die Physik des Pomerons und Odderons gelegt wird. Durch die Vertiefung unseres theoretischen Verständnisses und die Bereitstellung überprüfbarer Vorhersagen für Beschleuingerexperimente soll diese Forschung zu unserem Verständnis der starken Wechselwirkung und der Dynamik der Gluonen im Hochenergiebereich beitragen.

Quantum Chromodynamics (QCD) is the widely accepted theory governing the dynamics of quarks and gluons, the force carriers of the strong interaction. While many properties of hadrons, composite states of quarks bound by gluons, may be understood in terms of their quark content, gluons play a prominent role in mass generation, high-energy scattering processes, and the very nature of confinement itself. One of the most striking predictions of QCD is the existence of bound states comprised solely of valence gluons, known as glueballs. While their existence is supported by computer simulations, experimental evidence remains elusive, with theoretical computations often yielding conflicting results.The development of high-energy colliders, culminating in the Large Hadron Collider (LHC) at CERN, has revealed a rich landscape of gluon-dominated phenomena. The Pomeron, initially postulated to explain rising total scattering cross sections in high-energy data, is now recognized as a fundamental prediction of QCD, reflecting collective gluon dynamics at high energies. Furthermore, the recent claim of the Odderon discovery at the LHC and Tevatron, the Pomeron's C-odd partner, has the potential to significantly deepen our understanding of the strong interaction by studying fundamental processes associated with it, though this claim is not without controversy.Over the last three decades, a novel approach to understanding the fundamental nature of strongly coupled systems has emerged, known as the AdS/CFT correspondence. This duality, initially formulated between highly symmetric superstring and field theories, has found successful applications in less symmetric systems, which eventually led to the construction of holographic QCD. In this thesis, we explore the extent to which QCD in the confining phase may be described by a weakly coupled, higher-dimensional gravitational theory. We investigate glueball properties using holographic hadron spectroscopy within a type IIA superstring theory brane construction. This approach allows for the determination of glueball masses, decay channels, and mixing. We further apply holographic Regge physics through bottom-up models to analyze high-energy collider data, with a particular focus on the physics of the Pomeron and Odderon. By deepening our theoretical understanding and providing testable predictions for collider experiments, this research aims to contribute to our understanding of the strong interaction and rich gluon dynamics in the high-energy regime.