[논문 리뷰] New indications of the existence of the 6 top-anti-top quark bound states in LHC experiments

C.D. Froggatt, C. R. Das외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 10.

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한 줄 요약

이 논문은 가상의 힉스 보존 교환를 통해 형성된 새로운 토프-항토프 쿼크 결합 상태인 'T-화염공'(Tₛ = 6t+6t̄ 및 T_f = 6t+5t̄)의 존재를 제안한다. 이러한 상태는 LHC 데이터에서 관측된 희귀한 10-jet 사건과 비정상적인 H→γγ 붕괴 비율을 설명할 수 있다. 이 모델은 T-화염공의 질량을 약 300 GeV(Tₛ)와 약 700 GeV(T_f)로 예측하며, H→γγ 붕괴의 루프 다이어그램에 기여함으로써 이론적 붕괴 너비 비율이 1.46가 되며, CMS 및 ATLAS 측정치와 일치한다.

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.

연구 동기 및 목표

• LHC 양성자-양성자 충돌에서 관측된 희귀한 10-jet 최종 상태를 설명하기 위해, 이는 표준모형 과정으로는 완전히 설명되지 않는다.
• CMS 및 ATLAS에서 관측된 증가된 H→γγ 붕괴 너비를 설명하기 위해, 이는 표준모형 예측보다 약 50–80% 높다.
• 표준모형 외의 안정된 토프 및 항토프 쿼크 결합 상태의 존재를 조사하기 위해, 다중점 원리와 힉스 매개 상호작용에 의해 예측된다.
• 이러한 결합 상태, 즉 T-화염공이 힉스 보손 붕괴 비율과 제트 생성 패atters의 괴리 문제를 해결할 수 있는지 테스트하기 위해

제안 방법

• T-화염공을 색-싱เก트렛, 스핀-싱เก트렛 결합 상태로 모델링하며, 큰 토프-요카다 상수(g_t ~ 1)를 활용해 토프 쿼크 간의 가상의 힉스 보존 교환를 통해 형성된다.
• 다중점 원리(MPP)를 적용하여 힉스 및 토프 쿼크 질량를 제약하여, 전자약력과 플랑크 규모 최소값 간의 진공 디게너시를 보장한다.
• H→γγ 붕괴 너비의 1-루프 기여를 계산하며, 표준모형 입자(W, H, top)와 새로운 T-화염공 상태(Tₛ, T_f)의 진폭을 포함한다.
• LHC의 실험적 제트 생성 히스토그램(CMS)을 사용하여 N-jet 사건의 확률 P(N)을 모델링하고, N=10으로 외삽하여 P(10) ~ 10⁻⁷를 추정한다.
• 전체 붕괴 너비 비율 Γ_exp/Γ_SM을 진폭 간섭을 통해 피팅: (A_W,H + A_t + A_T_f + A_T_s)² / (A_W,H + A_t)², 여기서 A_W,H + A_t = 1.
• 이론적 예측을 계산하기 위해 T-화염공의 질량을 각각 300 GeV(Tₛ)와 700 GeV(T_f)로 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC pp 충돌에서 관측된 희귀한 10-jet 최종 상태는 T-화염공의 생성에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 T-화염공은 H→γγ 붕괴 너비에 상당한 기여를 하는가? 이는 관측된 표준모형 예측 초과를 해결하는가?
• RQ3 다중점 원리에 따라 안정된 6-톱-항톱 결합 상태의 예측 질량과 양자수는 무엇인가?
• RQ4 T-화염공 기여의 진폭은 H→γγ 붕괴에서 표준모형 진폭과 어떻게 간섭하는가?
• RQ5 관측된 10-jet 비율(P(10) ~ 10⁻⁷)은 제트 생성 히스토그램에 따라 T-화염공의 존재로 인해 증가하는가?

주요 결과

• LHC 충돌에서 10개의 제트를 생성할 확률는 실험 히스토그램 기반으로 P(10) ~ 10⁻⁷로 추정되며, 이는 희귀한 과정임을 시사한다.
• 질량이 각각 약 300 GeV(Tₛ)와 약 700 GeV(T_f)인 T-화염공는 양성자 충돌에서 쌍 생성을 통해 10-jet 최종 상태의 주요 기여자로 제안된다.
• H→γγ 붕괴 진폭에 T-화염공 기여를 포함함으로써 이론적 너비 비율이 1.46가 되며, 관측된 CMS 값 1.56±0.43과 일치한다.
• 진폭 분석 결과, T-화염공는 상당한 기여를 한다: A_T_f ≈ -0.89 및 A_T_s ≈ +1.10이며, 토프 쿼크 진폭과 반대 부호를 가지며, 상호간섭이 강화된다.
• 모델은 약 126.4 GeV의 힉스 보손 질량가 다중점 원리에 따른 진공 디게너시와 일치함을 예측하며, 새로운 결합 상태의 존재를 뒷받침한다.
• 1S 결합 상태인 Tₛ = 6t+6t̄는 페르미-디랙 통계 원리에 따라 안정하다. 왜냐하면 토프 쿼크의 6개의 스핀-색 상태를 모두 점령하기 때문이다.