[論文レビュー] New Bound States of Top and Beauty Quarks at the Tevatron and LHC

C. R. Das, C.D. Froggatt+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、大きなトップクォークヤコビアン結合（$g_t \approx 1$）に起因する強いヒッグス媒介相互作用によって、標準模型内にトップクォークおよび反トップクォークの新しい束縛状態（Tボールと呼ばれる）が存在することを提案する。強い結合により質量がほぼ完全にキャンセルされるスカラー $1S$ 束縛状態（$6t+6\bar{t}$）と、第四世代クォークに類似したフェルミオン的性質を示す $6t+5\bar{t}$ 状態が予測され、質量は $M_{T_f} \gtrsim 300$ GeV である。これらの状態は、テバトロンおよびLHCの探索で説明可能である可能性がある。

ABSTRACT

The present paper is based on the assumption that heavy quarks bound states exist in the Standard Model (SM). Considering New Bound States (NBS) of top-anti-top quarks (named T-balls) we have shown that: 1) there exists the scalar 1S-bound state of 6t+6\bar t; 2) the forces which bind the top-quarks are very strong and almost completely compensate the mass of the twelve top-anti-top-quarks in the scalar NBS; 3) such strong forces are produced by the Higgs-top-quarks interaction with a large value of the top-quark Yukawa coupling constant g_t\simeq 1. Theory also predicts the existence of the NBS 6t + 5\bar t, which is a color triplet and a fermion similar to the t'-quark of the fourth generation. We have also considered the "b-quark-replaced" NBS. We have estimated the masses of the lightest fermionic NBS: M_{NBS}\gtrsim 300 GeV, and discussed the larger masses of T-balls. Searching for heavy quarks bound states at the Tevatron and LHC is discussed.

研究の動機と目的

• 標準模型内において、強いヒッグス媒介相互作用を仮定した場合に、トップクォークおよび反トップクォークの新しい束縛状態（Tボール）が存在するかを調査すること。
• このような束縛状態が、第四世代クォークを必要としないまま、テバトロンデータにおける異常（説明のつかない断面積）を説明できるかを検討すること。
• 大きなトップクォークヤコビアン結合を仮定した下で、特に $6t+6\bar{t}$ および $6t+5\bar{t}$ のスカラーおよびフェルミオン的Tボールの質量と形態因子を推定すること。
• 特に $M_{T_f} \gtrsim 300$ GeV の質量領域において、テバトロンおよびLHCでのTボールの検出可能性を評価すること。
• Tボールにおける$b$クォークの置換が、アイソスピンスカラー状態および修正された質量スペクトルをもたらす影響を検討すること。

提案手法

• トップクォークのヒッグスヤコビアン相互作用（$g_t \approx 0.93$）を用い、仮想ヒッグス交換によるトップクォーク間の引力をモデル化し、束縛状態を生成する。
• ヒッグス真空期待値（$v_0 < v$）がTボール内部で低下するバッグ模型のアプローチを採用し、有効クォーク質量を変更し、結合を強化する。
• 小半径（$m_H R_0 \ll 1$）において、$V(r) \approx -\frac{g_t^2/2}{4\pi r}$ のヤコビ型ポテンシャルを適用し、結合エネルギーの推定にコロンブ型相互作用に類似した近似を用いる。
• パウリの禁制原理を適用し、$1S$状態に収容可能な $t\bar{t}$ 対の数を、スピンおよび色の自由度（$2 \times 3 = 6$）に起因して6つに制限する。
• 点粒子としての理論的予測と観測断面積を照合することで、CDFデータから形態因子 $F(M_T)$ を推定し、$t'$クォークの代わりにTボール状態の生成を仮定する。
• $H \to 2T_s$ や $T_f \bar{T}_f$ 生産、および $t'\bar{t}'$ 対生成断面積との比較を通じて、Tボールの性質を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型内における強いヒッグス媒介相互作用は、トップクォークおよび反トップクォークの安定的または長寿命な束縛状態を生じうるか？
• RQ2 $1S$波の $6t+6\bar{t}$ スカラーTボールの結合エネルギーおよび質量は何か？ また、12個のトップクォークの全質量がほぼ完全にキャンセルされる可能性はあるか？
• RQ3 $6t+5\bar{t}$ 状態は、第四世代クォークに類似した量子数を持つフェルミオン的束縛状態を形成するか？
• RQ4 かつて第四世代 $t'$ クォークに起因するとされた、テバトロンCDF実験で観測された断面積は、代替的にフェルミオン的Tボールの生成によって説明可能か？
• RQ5 特に $M_{T_f} \gtrsim 300$ GeV の質量領域において、Tボールの形態因子および検出可能性の見通しは何か？

主な発見

• 結合エネルギーが極めて強いため、$6t+6\bar{t}$ のスカラー $1S$ 束縛状態は、12個のトップクォークの全質量がほぼ完全にキャンセルされ、非常に軽量またはタキオン的状態（$M_{T_s}^2 < 0$）である可能性がある。
• $6t+5\bar{t}$ 状態は、第四世代クォークに類似した量子数を持つ色三重項フェルミオンとして予測され、質量は $M_{T_f} \gtrsim 300$ GeV である。
• 最も軽いスカラーTボール（$T_s$）は、質量がゼロまたは逆にタキオン的（$M_{T_s}^2 < 0$）である可能性があり、これは電弱スケールにおける新たな真空状態の自発的凝縮を示唆する。
• CDFデータからの形態因子解析では、$M_T = 500$ GeV において $F(M_T) \approx 7.6$ が得られ、点粒子の挙動とは顕著に異なることを示し、$t'$ クォークの生成ではなくTボール生成の可能性を支持する。
• テバトロンにおける観測断面積 $\sigma(p\bar{p} \to t'\bar{t}') \approx 0.1$ pb は、$M_{T_f} \gtrsim 300$ GeV の $T_f\bar{T}_f$ 対生成によって説明可能である。
• LHCにおける $H \to 2T_s$ および $T_f\bar{T}_f$ 生産に加え、$t'\bar{t}'$ のシグネチャを組み合わせた検出チャネルは、これらの新しい束縛状態の検出に有効である。