[논문 리뷰] New Bound States of Top and Beauty Quarks at the Tevatron and LHC

C. R. Das, C.D. Froggatt외 2명|arXiv (Cornell University)|2009. 08. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 3인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 표준모형 내에서 큰 토프 쿼크 요하다 상수($g_t \approx 1$)로 인한 강한 힉스 매개 상호작용으로 인해 새로운 토프와 바텀 쿼크의 결합 상태인 T-볼이 존재할 수 있음을 제안한다. 이는 강한 바인딩으로 인해 거의 완전한 질량 상쇄가 일어나는 스칼라 $1S$ 결합 상태 $6t+6\bar{t}$와 제4세대 쿼크와 유사한 성질을 지닌 페르미온성 $6t+5\bar{t}$ 상태를 예측하며, 질량은 $M_{T_f} \gtrsim 300$ GeV로 추정되며, 테바트론과 LHC 탐색에서 설명 가능할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 강한 힉스 매개 상호작용을 가정할 때 표준모형 내에서 토프 및 반토프 쿼크의 새로운 결합 상태(T-볼) 존재 여부를 조사하는 것.
• 이러한 결합 상태가 제4세대 쿼크가 필요 없이 테바트론 데이터의 이례적인 단면적 현상(예: 설명되지 않은 단면적)을 설명할 수 있는지 탐색하는 것.
• 큰 토프 쿼크 요하다 상수를 가정할 때 스칼라 및 페르미온성 T-볼, 특히 $6t+6\bar{t}$ 및 $6t+5\bar{t}$의 질량과 형상 인자들을 추정하는 것.
• 특히 테바트론과 LHC에서의 쌍 생성 및 붕괴 서명을 통한 T-볼의 탐지 가능성 평가.
• T-볼 내에서 바텀 쿼크가 대체될 경우 발생하는 이소스핀 단일 상태와 수정된 질량 스펙트럼에 대한 영향 분석.

제안 방법

• 표준모형에서 힉스-토프 요하다 상호작용을 $g_t \approx 0.93$로 설정하여, 토프 쿼크 간의 매력적 상호작용을 모델링하고, 가상의 힉스 교환을 통해 결합 상태를 유도한다.
• T-볼 내부에서 힉스 진공 기대값($v_0 < v$)이 감소하는 백색 모델을 적용하여 효과적인 쿼크 질량을 수정하고 바인딩 강도를 증가시킨다.
• 작은 반경($m_H R_0 \ll 1$)에서 $V(r) \approx -\frac{g_t^2/2}{4\pi r}$ 형태의 요하다형 포텐셜을 적용하여 결합 에너지 추정에 콜롬브 유사 상호작용을 근사한다.
• 파울리 배제 원리를 적용하여 스핀과 색의 자유도가 각각 3개씩이므로 $1S$ 상태에 포함될 수 있는 $t\bar{t}$ 쌍의 수를 6개로 제한한다.
• 점입자 가정 하에 이론적 예측과 관측 단면적을 비교하여 테바트론 CDF 데이터로부터 형상 인자 $F(M_T)$를 추정하며, $t'$ 쿼크 대신 T-볼 생성을 가정한다.
• 붕괴 채널로는 $H \to 2T_s$ 및 $T_f \bar{T}_f$ 생성을 고려하고, $t'\bar{t}'$ 쌍 생성 단면적과 비교하여 T-볼 성질을 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형 내에서 강한 힉스 매개 상호작용이 안정적이거나 장수하는 토프 및 반토프 쿼크의 결합 상태를 유도할 수 있는가?
• RQ2 $1S$-파 $6t+6\bar{t}$ 스칼라 T-볼의 바인딩 에너지와 질량는 얼마이며, 총 12개의 토프 쿼크 질량이 거의 상쇄되는가?
• RQ3 $6t+5\bar{t}$ 상태는 제4세대 쿼크와 유사한 양자수를 지닌 페르미온성 결합 상태를 형성하는가?
• RQ4 이전에 제4세대 $t'$ 쿼크로 기인된 테바트론 CDF 실험에서 관측된 단면적은 실제로는 페르미온성 T-볼의 생성에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ5 특히 질량 범위 $M_{T_f} \gtrsim 300$ GeV에서 T-볼의 형상 인자와 탐지 가능성은 어떠한가?

주요 결과

• 강한 바인딩으로 인해 총 12개의 토프 쿼크 질량이 거의 상쇄되는 스칼라 $1S$ 결합 상태 $6t+6\bar{t}$가 존재하며, 이는 매우 가벼운 또는 타키온 상태임을 시사한다.
• $6t+5\bar{t}$ 상태는 제4세대 쿼크와 유사한 양자수를 지닌 색 삼중항 페르미온으로서 질량 $M_{T_f} \gtrsim 300$ GeV로 예측된다.
• 가장 가벼운 스칼라 T-볼($T_s$)은 질량이 0이거나 심지어 타키온 질량($M_{T_s}^2 < 0$)일 수 있어, 전자약력 스케일에서의 자발적 응축과 새로운 진공 상태 존재를 시사한다.
• CDF 데이터로부터의 형상 인자 분석 결과, $M_T = 500$ GeV에서 $F(M_T) \approx 7.6$로 도출되어 점입자 행동과는 상당한 이격을 보이며, $t'$ 쿼크 대신 T-볼 생성을 지지한다.
• 테바트론에서 관측된 단면적 $\sigma(p\bar{p} \to t'\bar{t}') \approx 0.1$ pb는 $M_{T_f} \gtrsim 300$ GeV 조건에서 $T_f\bar{T}_f$ 쌍 생성으로 설명 가능하다.
• LHC에서의 $H \to 2T_s$ 및 $T_f\bar{T}_f$ 생성과 함께 $t'\bar{t}'$ 서명을 조합한 탐색은 이러한 새로운 결합 상태에 대한 탐지 가능성을 제공한다.