[논문 리뷰] May Heavy hadrons of the 4th generation be hidden in our Universe while close to detection?

K. M. Belotsky, Daniele Fargion외 4명|ArXiv.org|2004. 11. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 7

한 줄 요약

논문은 메타안정한 네 번째 세대 쿼크가 이중적으로 양전하를 띤 바리온(예: $Δ^{++}_U$)과 중성 메존에 의해 구속되어 있어도 현재의 실험적 탐지에서 회피하면서 거의 탐지 가능할 수 있다는 가능성을 조사한다. 이들이 초기 우주에서 핵합성과 간행 우주 진화를 견뎌내며 생존할 수 있음을 보여주며, 천체배경복사와 감마선 배경 제한 조건을 통해 잔류 밀도가 제약을 받는다. 이는 이러한 입자가 천체선이나 지구에 숨겨져 있을 수 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초기 우주와 현재에서 장수하거나 안정적인 네 번째 세대 하드론, 특히 이중적으로 양전하를 띤 바리온과 중성 메존의 가능성 평가
• 이러한 하드론이 이례적인 수소와 동위원소에 대한 현재의 실험적 제한을 회피하면서도 거의 탐지 가능할 수 있는지 평가
• 우주에서의 초기 생성, 잔류 밀도, 그리고 천체선과 간행성 간 매질 내에서의 상호작용 서명 분석
• 빅뱅 핵합성과 천체배경복사 왜곡에서 유도된 천체론적 제약 조건을 바탕으로 네 번째 세대 쿼크의 수명 제약
• 가속기 및 천체선 실험에서의 향후 탐지 가능성 탐색

제안 방법

• 보존된 $y$-전하를 가정하여 초기 우주에서 열적 동결-아웃과 하드론화 과정을 통해 $Uuu$, $Uud$, 및 $\bar{U}u$ 상태로의 초기 쿼크 생성 모델링
• 복사 dominant 및 물질 dominant 시대 동안의 잔류 밀도 진화를 기술하는 운동 방정식을 사용하며, $\langle \sigma v \rangle$ 평균화된 상호작용 단면적 포함
• 초기 핵합성 제약 조건을 적용하여 $Q\bar{Q}$ 상호작용 생성물, 특히 $^6$Li, $^7$Li, 및 $^7$Be의 과잉 생성을 방지
• 늦은 시기의 $Q\bar{Q}$ 상호작용에서 기인한 CMB 스펙트럼 왜곡과 간행성 감마선 배경을 평가하여 하드론 수명 제약
• 이론적 수소나 헬륨과의 원자 결합 가능성을 평가하여 $D$-쿼크 하드론이 이례적 수소 탐색에서 회피될 수 있는지 분석
• 쿼크 모델 원리를 적용하여 $Dud$, $Ddd$, 및 $\bar{D}d$ 상태의 안정성과 결합 가능성 평가, $p-n$ 시스템과의 비교

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중적으로 양전하를 띤 네 번째 세대의 $Uuu$ 바리온과 중성 $\bar{U}u$ 메존는 현재의 실험적 탐지에서 회피할 수 있는 안정성 또는 메타안정성을 가지는가?
• RQ2 빅뱅 핵합성과 CMB 스펙트럼 왜곡에서 기인한 우주론적 제약 조건을 통해 네 번째 세대 하드론의 잔류 밀도에 어떤 제약이 가해지는가?
• RQ3 물질 지배 시대의 늦은 시기 $Q\bar{Q}$ 상호작용이 간행성 감마선 배경과 CMB에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 $D$-쿼크 하드론이 수소나 헬륨과 약한 결합 원자 시스템을 형성할 수 있는가? 이는 이론적 탐지에서 회피 가능성을 높일 수 있는가?
• RQ5 $Q\bar{Q}$ 상호작용이 초기 우주에서의 $^6$Li 밀도에 어떤 영향을 미치며, 이는 네 번째 세대 쿼크의 수명 제약에 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• $Uuu$ 바리온과 $\bar{U}u$ 메존는 이론적으로 네 번째 세대의 가장 가벼운 하드론으로서, 보존된 $y$-전하 덕분에 이중적으로 양전하 및 중성 상태로 장수하거나 메타안정적일 수 있다.
• 물질 지배 시대의 $Q$-하드론 잔류 밀도는 약 20배 감소하여 은하전기 이전 밀도가 $r_4 \sim 10^{-8}$ 수준이 되며, 이는 안정한 경우에도 탐지 가능한 CMB 왜곡을 유도한다.
• 물질 지배 시대의 늦은 시기 $Q\bar{Q}$ 상호작용은 EGRET 데이터와 불일치하는 감마선 배경을 유도하므로, 하드론 수명이 $10^{15}$ 초 이하일 경우에만 가능하다.
• $^6$Li 과잉 생성 제약 조건은 $Q\bar{Q}$ 상호작용 비율을 $f_4 < 1.3 \times 10^{-6}$ 이하로 제한하며, $f_4 = 2 \times 10^{-6}$ 경우를 배제함으로써 $Q$-하드론의 불안정성을 요구한다.
• 중성 $Dud$ 및 $Ddd$ 바리온은 수소나 헬륨과 약한 결합 원자 시스템을 형성할 수 있으며, 낮은 단면적 덕분에 이론적 이례적 수소 탐색에서 회피될 수 있다.
• 만약 $D$-쿼크가 $Z=+1$ 상태를 형성한다면, 그 수명은 우주의 연령을 초과할 수 없으며, 이 경우 이론적 이례적 수소 과잉 생성이 15개 항목 이상 증가하므로 가속기 실험 탐색이 필수적이다.