[論文レビュー] Would a Deeply Bound $b\bar b b\bar b$ Tetraquark Meson be Observed at the LHC?

E. Eichten, Zhen Liu|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 23被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、LHCにおける深く結合した $b\bar{b}b\bar{b}$ テトラクォーカー中間子の検出可能性を検討し、このような状態が $\eta_b\eta_b$ 閾値未満に存在する場合、非常に幅が狭く、$\Upsilon\Upsilon^*$ に主要に崩壊するため、4レプトン最終状態を通じた発見が可能であると提案している。研究では、角運動量分布、インバリアント質量ピーク、および前向きのラピディティ分布といった重要な特徴を特定し、LHCデータにおけるこのような共鳴状態の同定に役立つ検証可能なフレームワークを提供している。

ABSTRACT

There has been much theoretical speculation about the existence of a deeply bounded tetra-bottom state. Such a state would not be expected to be more than a GeV below $ΥΥ$ threshold. If such a state exists below the $η_bη_b$ threshold it would be narrow, as Zweig allowed strong decays are kinematically forbidden. Given the observation of $Υ$ pair production at CMS, such a state with a large branching fraction into $ΥΥ^*$ is likely discoverable at the LHC. The discovery mode is similar to the SM Higgs decaying into four leptons through the $Z Z^*$ channel. The testable features of both production and the four lepton decays of such a tetra-bottom ground state are presented. The assumptions required for each feature are identified, allowing the application of our results more generally to a resonance decaying into four charged leptons (through the $ΥΥ^*$ channel) in the same mass region.

研究の動機と目的

• $\eta_b\eta_b$ 閾値未満に位置する深く結合した $b\bar{b}b\bar{b}$ テトラクォーカー状態がLHCで検出可能かどうかを評価すること。
• そのような状態の主要な崩壊モードを特定し、特に $\Upsilon\Upsilon^*$ が4つの電荷を帯びたレプトンに崩壊する過程に注目すること。
• 特にグルーオン-グルーオン融合を含む生成メカニズムをモデル化し、ラピディティおよび運動量分布に与える影響を評価すること。
• 実験的検証のための検証可能な観測量（角相関、インバリアント質量スペクトル、ラピディティ分布）を提供すること。
• 本研究の結果が、同様の質量領域で $\Upsilon\Upsilon^*$ に崩壊する任意の共鳴状態に一般化可能であることを確立すること。

提案手法

• 非相対論的QCD（NRQCD）およびポテンシャルモデルを用いて、4ボトムクォーク系を記述し、摂動的QCDおよびストリングポテンシャルを組み込む。
• QCD和則を適用してテトラクォーカー状態の断面積を推定し、$\Lambda = 0.2~\text{GeV}$ の場合に典型的な断面積が $O(\text{fb})$ のオーダーであると導出。
• テトラクォーカー状態が $\Upsilon\Upsilon^*$ に崩壊する過程を記述するための有効相互作用 $\Lambda \phi \Upsilon^\mu \Upsilon_\mu$ をモデル化。
• スピンおよびCP量子数を考慮し、インバリアント質量の関数として、オンシェルおよびアンシェルの $\Upsilon$ 状態からの二レプトンの角分布を計算。
• アンシェル二レプトンインバリアント質量分布を分析し、アンシェル $\Upsilon$ 状態のプロパゲーターの性質に起因して高インバリアント質量付近にピークが現れることを示す。
• テトラクォーカー状態のラピディティ分布をシミュレーションし、グルーオン部分子分布関数（PDF）に起因して前向きピークが現れることを示し、ピークラピディティは13 TeVで3.8、8 TeVで4.4である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 深く結合した $b\bar{b}b\bar{b}$ テトラクォーカー状態が $\eta_b\eta_b$ 閾値未満に存在し、強い崩壊に対して安定である可能性はあるか？
• RQ2 そのような状態の主要な崩壊チャネルは何か？ そして、それらはLHCで特徴的な4レプトンシグネチャーを生じるか？
• RQ3 特にグルーオン-グルーオン融合に起因する生成メカニズムが、テトラクォーカー状態の運動量およびラピディティ分布にどのように影響を与えるか？
• RQ4 最終状態レプトンの角分布およびインバリアント質量分布は、バックグラウンドからその共鳴状態を区別するためにどのように利用できるか？
• RQ5 予測されたシグネチャーは、同様の質量範囲で $\Upsilon\Upsilon^*$ に崩壊する任意の共鳴状態に対して、どの程度一般化可能か？

主な発見

• $\eta_b\eta_b$ 閾値未満に位置する $b\bar{b}b\bar{b}$ テトラクォーカー状態は、Zweig許容の強い崩壊が抑制されるため、非常に幅が狭いと予想される。
• 主要な崩壊モードは $\Upsilon(1S)\Upsilon^*(1S)$ であり、$ZZ^*$-型のトポロジーを介して4つの電荷を帯びたレプトンへの分支分率が顕著に高いと予想される。
• アンシェル二レプトンインバリアント質量分布は、アンシェル $\Upsilon$ 状態のプロパゲーターの性質に起因して高インバリアント質量付近にピークを示す。
• 二つの $\Upsilon\Upsilon^*$ 崩壊平面間の角分布は、テトラクォーカー状態のスピンおよびCP量子数に応じて明確なパターンを示す。
• グルーオン-グルーオン融合によるテトラクォーカー生成は、グルーオンPDFに起因して強い前向きラピディティピークを示し、ピークラピディティは13 TeVで3.8、8 TeVで4.4である。
• この状態の推定断面積は $\Lambda = 0.2~\text{GeV}$ の場合に $O(\text{fb})$ のオーダーであり、十分な統計的精度があればLHCで観測可能である可能性がある。