[論文レビュー] May Heavy hadrons of the 4th generation be hidden in our Universe while close to detection?

K. M. Belotsky, Daniele Fargion+4 more|ArXiv.org|Nov 20, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、陽子と中性子の4番目の世代のクォークが、二重に電荷を帯びたバリオン（例：$Δ^{++}_U$）および中性メソンに閉じ込められている場合、現在の実験的検出を避けながらもほぼ検出可能である可能性を調査している。理論的に、こうしたハドロンは原始核合成および宇宙の進化を経ても生存可能であり、宇宙背景放射およびガンマ線背景の制約から、その残存豊度が制限されることを示している。その結果、これらは宇宙線や地球上に隠れている可能性がある。

ABSTRACT

Metastable quarks of 4th generation are predicted in the framework of heterotic string phenomenology. Their presence in heavy stable hadrons are usually strongly constrained; however their hidden compositions in Heavy doubly charged baryons here considered are found to be still allowable: we studied their primordial quark production in the early Universe, their freezing into cosmic Heavy hadrons, their later annihilation into cosmic ray as well as their relic presence in our Universe and among us on Earth. We discuss also their possible production in present or future accelerators. Indeed if the lightest quarks and antiquarks of the 4th generation are stored in doubly charged baryons and neutral mesons, their lifetime can exceed the age of the Universe; the existence of such an anomalous Helium-like (and neutral Pion-like) stable particles may escape present experimental limits, while being close to present and future experimental test. On the contrary primordial abundance of lightest hadrons of the 4th generation with charge +1 can not decrease below the experimental upper limits on anomalous hydrogen and therefore (if stable) it is excluded. While 4th quark hadrons are rare, their presence may play different and surprising role in cosmic rays, muon and neutrino fluxes and cosmic electromagnetic spectra. Most of these traces are tiny, but just nearly detectable.

研究の動機と目的

• 初期宇宙および現在の状況において、特に二重に電荷を帯びたバリオンおよび中性メソンである長寿命または安定な4番目の世代ハドロンの妥当性を評価すること。
• 異常な水素や同位体に対する現在の実験的制約を避けながらも、ほぼ検出可能である可能性を評価すること。
• 原始核生成、残存豊度、および宇宙線および銀間空間におけるハドロンの対消滅シグナルを分析すること。
• ビッグバン核生成および宇宙背景放射の歪みからの宇宙論的制約を用いて、4番目の世代クォークの寿命を制約すること。
• 加速器実験および宇宙線実験における将来的な検出可能性を検討すること。

提案手法

• 保存則としての$y$-電荷が保存されると仮定し、初期宇宙における熱的凍結とハドロン化によって$Uuu$、$Uud$、および$\bar{U}u$状態が生成される過程をモデル化する。
• 放射支配期および物質支配期における残存豊度の進化を記述する運動方程式を用い、$\langle \sigma v \rangle$-平均化された対消滅断面積を組み込む。
• 原始核生成の制約を適用し、とくに$^6$Li、$^7$Li、$^7$Beの過剰生成を避けるために$Q\bar{Q}$対消滅生成物の豊度を制限する。
• 遅い時期の$Q\bar{Q}$対消滅によるCMBスペクトル歪みおよび銀河間ガンマ線背景を評価し、ハドロンの寿命を制約する。
• 陽子およびヘリウムとの原子結合の可能性を評価し、異常水素探索において検出されにくくなる理由を検討する。
• クォーク模型の議論を用いて、$Dud$、$Ddd$、および$\bar{D}d$状態が$p-n$系に比べて安定性および結合可能性を有するかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4番目の世代の二重に電荷を帯びた$Uuu$バリオンおよび中性$\bar{U}u$メソンは、保存則としての$y$-電荷のおかげで長寿命またはメタ安定であり、現在の実験的検出を避けられるか？
• RQ2 ビッグバン核生成およびCMBスペクトル歪みからの宇宙論的制約によって、4番目の世代ハドロンの残存豊度はどのように制限されるか？
• RQ3 物質支配期における$Q\bar{Q}$対消滅が銀河間ガンマ線背景およびCMBに与える影響は何か？
• RQ4 $D$-クォークハドロンが陽子またはヘリウムと弱い結合の原子系を形成できるか？その場合、標準的な異常水素探索では検出されにくくなるか？
• RQ5 $Q\bar{Q}$対消滅が原始$^6$Li豊度に与える影響は何か？また、これにより4番目の世代クォークの寿命はどのように制限されるか？

主な発見

• $Uuu$バリオンおよび$\bar{U}u$メソンは、理論的に4番目の世代の最も軽いハドロンとして妥当であり、保存則としての$y$-電荷のおかげで、二重に電荷を帯びた状態および中性状態が長寿命になり得る。
• 物質支配期における$Q$-ハドロンの残存豊度は約20倍に抑制され、銀河形成以前の豊度は$r_4 \sim 10^{-8}$にまで低下するが、それでも安定であれば検出可能なCMB歪みを引き起こす。
• 物質支配期における遅い時期の$Q\bar{Q}$対消滅は、EGRETデータと整合しないガンマ線背景を生じるため、ハドロン寿命が$10^{15}$秒未満でなければならない。
• $^6$Liの過剰生成制約により、$Q\bar{Q}$対消滅の割合は$f_4 < 1.3 \times 10^{-6}$に制限され、$f_4 = 2 \times 10^{-6}$のケースは除外される。これにより、$Q$-ハドロンの不安定性が要求される。
• 中性の$Dud$および$Ddd$バリオンは、陽子またはヘリウムと弱い結合の原子系を形成する可能性があり、低断面積のため、異常水素探索では検出されにくくなる可能性がある。
• $D$-クォークが$Z=+1$状態を形成する場合、その寿命は宇宙の年齢を超えることはできず、そうした状態は異常水素を15桁以上過剰に生成するため、加速器探索が不可欠となる。