[論文レビュー] Stable quarks of the 4th family?

K. M. Belotsky, Maxim Khlopov+1 more|ArXiv.org|Jun 5, 2008

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 36被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、新しいU(1)ゲージ対称性（y-荷重）によって安定化されるメタ安定な第四世代クォーク、特にアップ型クォーク（U）が存在しうると提案している。このクォークは、二重に電荷を帯びたバリオンやヘリウム-4との結合状態を形成するような特異なハドロンを生成可能であり、これらは現在の実験的制限を回避し得る。また、暖かく核的相互作用を示す形でダークマターを形成し得るとともに、宇宙線、ニュートリノフラックス、電磁スペクトルに検出可能なシグナルを残す可能性がある。

ABSTRACT

Existence of metastable quarks of new generation can be embedded into phenomenology of heterotic string together with new long range interaction, which only this new generation possesses. We discuss primordial quark production in the early Universe, their successive cosmological evolution and astrophysical effects, as well as possible production in present or future accelerators. In case of a charge symmetry of 4th generation quarks in Universe, they can be stored in neutral mesons, doubly positively charged baryons, while all the doubly negatively charged "baryons" are combined with He-4 into neutral nucleus-size atom-like states. The existence of all these anomalous stable particles may escape present experimental limits, being close to present and future experimental test. Due to the nuclear binding with He-4 primordial lightest baryons of the 4th generation with charge +1 can also escape the experimental upper limits on anomalous isotopes of hydrogen, being compatible with upper limits on anomalous lithium. While 4th quark hadrons are rare, their presence may be nearly detectable in cosmic rays, muon and neutrino fluxes and cosmic electromagnetic spectra. In case of charge asymmetry, a nontrivial solution for the problem of dark matter (DM) can be provided by excessive (meta)stable anti-up quarks of 4th generation, bound with He-4 in specific nuclear-interacting form of dark matter. Such candidate to DM is surprisingly close to Warm Dark Matter by its role in large scale structure formation. It catalyzes primordial heavy element production in Big Bang Nucleosynthesis and new types of nuclear transformations around us.

研究の動機と目的

• 新しいU(1)ゲージ対称性（y-荷重）によって安定化されるメタ安定な第四世代クォークの宇宙論的および天体物理学的妥当性を検討すること。
• 特に電荷対称性または非対称性の下で、初期宇宙におけるUクォークハドロンの生成および残存密度を分析すること。
• これらの特異なハドロンが宇宙線、加速器実験、およびダークマターとビッグバン核合成における役割において検出可能かどうかを評価すること。
• 異常同位体（例えば水素、リチウム）およびヘリウム-4との核的結合効果からの制約を評価すること。
• 中性でy-相互作用を示すUハドロンと4Heの結合状態に基づく、温かいダークマターに類似した性質を示す新規のダークマター候補を提案すること。

提案手法

• 第四世代フェルミオンにのみ保存される新しいU(1)ゲージ対称性（y-荷重）を仮定した、ヘテロティック超弦理論に基づく効果的モデルを採用する。
• ビッグバン核合成（BBN）期におけるUクォークハドロンの初期生成をモデル化し、熱的凍結とその後の宇宙論的進化を仮定する。
• Coulombに類似したy相互作用を用いて、(UUD)++および(ŪŪŪ)---バリオンが4He核と結合して中性の原子様状態を形成することを分析する。
• 異常同位体（例えば1H, 4He）およびBBNからの宇宙論的制約を用いて、Uクォークの寿命および存在割合の上限を設定する。
• 銀河物質への高エネルギー宇宙線のスパラレーションを経由したUハドロンの宇宙線フラックスを推定し、AMS02およびPAMELAの感度と比較する。
• コライダーでのシグナルを評価：高pT、低速度のUハドロンは、検出器内での電荷反転効果を示し、バックグラウンドの有効な遮断を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新しいU(1)ゲージ対称性（y-荷重）が、第四世代で最も軽いクォーク（Uクォーク）を安定化させ、崩壊を防ぎ、長寿命なハドロンを生成可能かどうか？
• RQ2 Uハドロンの宇宙論的および天体物理学的シグナル、特に宇宙線フラックスおよび電磁スペクトルにおける特徴は何か？
• RQ3 4He核との核的結合効果が、(ŪŪŪ)--- や (UUD)++ などの特異なハドロンを物質中で抑制または安定化させる仕組みは何か？
• RQ4 電荷が+1または-2のUハドロンは、水素およびヘリウムの異常同位体に対する実験的制限を回避可能かどうか？
• RQ5 第四世代クォークに宇宙論的非対称性が存在する場合、y相互作用による4Heと結合した(反)安定な反クォークが、核的相互作用を示す温かいダークマター候補として成立可能かどうか？

主な発見

• 新しいU(1)ゲージ対称性（y-荷重）によって安定化される第四世代で最も軽いクォーク（U）は、宇宙年齢を超える寿命を示すメタ安定状態にあり得る。これにより、宇宙論的残存生成が可能となる。
• Uハドロン、例えば(UUD)++および(ŪŪŪ)---は、4He核と結合して中性の原子様状態を形成でき、地上物質での検出を回避し、異常同位体探索からの制約を回避できる。
• 電荷対称性の下では、+1電荷のUハドロンが異常水素を過剰に生成するため、その寿命が約10^6年未塔でなければならず、加速器実験での検出可能性に狭い窓が存在する。
• 電荷非対称性の下では、第四世代の(反)安定な反アップクォークが4Heと結合して、温かいダークマターに類似した性質を示す新規のダークマター候補を形成する。この状態は、初期の重元素生成を触媒する。
• +2電荷のUバリオンおよび-2電荷の反Uバリオンの宇宙線フラックスは、PAMELAおよびAMS02で検出可能であり、将来的な実験感度に達するか、それ以下のレベルに留まる可能性がある。
• LHC実験では、質量が1.5 TeVまでのUクォークが、高pT、低速度の信号と検出器内での電荷反転効果を示すため、発見の可能性が非常に高い。