[論文レビュー] New indications of the existence of the 6 top-anti-top quark bound states in LHC experiments

C.D. Froggatt, C. R. Das+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2012

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ひとこと要約

本稿では、仮想ヒッグス粒子の交換によって生成される、新しいトップ-アンチトップクォークの束縛状態である「T-ファイアボール」（Tₛ = 6t+6t̄ および T_f = 6t+5t̄）の存在を提案する。これらの状態は、LHCのデータで観測されたレアな10ジェット事象および異常なH→γγ崩壊断面積を説明できる可能性がある。モデルは、T-ファイアボールの質量をそれぞれ約300 GeV（Tₛ）および約700 GeV（T_f）と予測し、H→γγ崩壊におけるループ図の寄与から理論的幅比が1.46となることを示し、CMSおよびATLASの測定結果と整合的である。

ABSTRACT

It was shown: 1) that the mass of the Higgs boson discovered by LHC corresponds to the stability conditions of the SM vacua and to the Multiple Point Principle, according to which all vacua of the SM are degenerate, or almost degenerate; 2) that early predicted by authors new bound states (NBS) of the 6 top and 6 anti-top quarks ("T-fireballs"), which are formed by their intermediate interactions with the Higgs bosons, manifest themselves in the production of multijets in pp-collisions at LHC. The CMS experiment of LHC with the production of 10 jets can be explained by the production of pairs of these NBS along with the production of pairs of the top-anti-top quarks. 3) Also it was shown that the next indication of the possible existence of the NBS can be the decay $H o γγ$, which was observed by CMS-collaboration of LHC. We have considered the contributions of the one-loop diagrams to the width $Γ_{H o γγ}$, taking into account the contributions of the T-fireballs along the contributions of the known SM-particles.

研究の動機と目的

• 標準模型（SM）の過程では十分に説明できない、LHCの陽子-陽子衝突における観測された10ジェット最終状態を説明すること。
• CMSおよびATLASが観測した、SMの予測を約50–80%上回るH→γγ崩壊幅の増幅を説明すること。
• 複数の点原理（Multiple Point Principle）およびヒッグス媒介相互作用によって予測される、トップおよびアンチトップクォークの新しい安定な束縛状態の存在を調査すること。
• これらの束縛状態（T-ファイアボールと呼ぶ）が、ヒッグスボソンの崩壊断面積およびジェット生成パターンにおける乖離を解消できるかどうかを検証すること。

提案手法

• T-ファイアボールを、トップクォーク間の仮想ヒッグス粒子交換によって生成される、色スカラーかつスピンスカラーの束縛状態としてモデル化し、大きなトップクォークのヨーグ・カップリング（g_t ~ 1）を活用する。
• 複数の点原理（MPP）を適用して、電弱スケールとプランクスケールの真空の degeneracy を保証するようにヒッグスおよびトップクォークの質量を制約する。
• H→γγ崩壊幅における1ループ寄与を計算し、SM粒子（W、H、トップ）および新しいT-ファイアボール状態（Tₛ、T_f）のアモーチュードを含める。
• LHC（CMS）の実験的ジェット生成ヒストグラムを用いて、Nジェット事象の確率P(N)をモデル化し、N=10に外挿してP(10) ~ 10⁻⁷を推定する。
• 全崩壊幅比Γ_exp/Γ_SMを、振幅干渉による式：(A_W,H + A_t + A_T_f + A_T_s)² / (A_W,H + A_t)² でフィットし、A_W,H + A_t = 1 と仮定する。
• 理論的予測としてH→γγの幅を計算するため、T-ファイアボールの質量をそれぞれ300 GeV（Tₛ）および700 GeV（T_f）と仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHC pp衝突におけるレアな10ジェット最終状態は、T-ファイアボールの生成によって説明可能か？
• RQ2 T-ファイアボールはH→γγ崩壊幅に顕著な寄与をし、観測されたSM予測を上回る過剰を解消できるか？
• RQ3 複数の点原理の下で、安定な6トップ-アンチトップクォーク束縛状態の予測される質量および量子数は何か？
• RQ4 H→γγ崩壊におけるT-ファイアボールの振幅は、SMの振幅とどのように干渉するか？
• RQ5 観測された10ジェット率（P(10) ~ 10⁻⁷）は、ジェット生成ヒストグラムの示唆するところに従い、T-ファイアボールの存在によって増幅されているか？

主な発見

• 実験的ヒストグラムに基づき、LHC衝突における10ジェットの生成確率はP(10) ~ 10⁻⁷と推定され、非常にまれなプロセスであることが示された。
• 質量がそれぞれ約300 GeV（Tₛ）および約700 GeV（T_f）であるT-ファイアボールTₛおよびT_fは、陽子衝突におけるペア生成によって10ジェット最終状態の主な寄与者と提案される。
• H→γγ崩壊振幅にT-ファイアボールの寄与を含めると、理論的幅比が1.46となる。これは、CMSが観測した1.56±0.43と整合的である。
• 振幅解析によると、T-ファイアボールの寄与は顕著である：A_T_f ≈ -0.89 および A_T_s ≈ +1.10 であり、トップクォークの振幅とは逆符号で、構成的干渉を引き起こす。
• モデルは、ヒッグスボソン質量が約126.4 GeVであることが、複数の点原理における真空の degeneracy と整合的であり、新たな束縛状態の存在を支持する。
• 1S束縛状態Tₛ = 6t+6t̄は、パウリの排他原理により安定である。これは、トップクォークの利用可能な6つのスピン-色状態を完全に占拠しているためである。