[논문 리뷰] Stable quarks of the 4th family?

K. M. Belotsky, Maxim Khlopov외 1명|ArXiv.org|2008. 06. 05.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 36인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 새로운 U(1) 게이지 대칭(예: y-전하)에 의해 안정화되는 메타안정적인 제4세대 쿼크—특히 업형 쿼크(U)—가 존재할 수 있다고 제안한다. 이로 인해 이중적으로 양전하를 띤 바리온과 헬륨-4와의 결합 상태를 포함한 이색 하드론이 형성될 수 있으며, 이러한 입자들은 현재의 실험적 제한을 우회할 수 있고, 따뜻한 핵상호작용을 하는 형태로 암흑물질 기여할 수 있으며, 宇宙선, 뉴트리노 플럭스, 전자기 스펙트럼에서 검출 가능한 서명을 남길 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 새로운 U(1) 게이지 대칭(y-전하)에 의해 안정화되는 메타안정적인 제4세대 쿼크의 천체물리학적 및 우주론적 타당성을 탐색하기 위해.
• 초기 우주에서 U-쿼크 하드론의 생성 및 잔류 밀도를 분석하며, 전하 대칭 또는 비대칭 조건 하에서의 특성을 다루기 위해.
• 이색 하드론이 宇宙선, 고에너지 실험, 암흑물질 및 빅뱅 핵합성에서 검출 가능한지를 평가하기 위해.
• 이상 이소토프(예: 수소, 리튬) 및 헬륨-4와의 핵결합 효과로부터의 제약 조건을 평가하기 위해.
• 중성이며 y-상호작용을 하는 U-하드론-4He 결합 상태를 기반으로 한 새로운 암흑물질 후보를 제안하며, 따뜻한 암흑물질 유사 행동을 제공하기 위해.

제안 방법

• 제4세대 페르미온들만이 보존하는 새로운 U(1) 게이지 대칭(y-전하)을 가진 이론적 모델을 기반으로 하되, 이는 이론적 구조를 위해 히터오텍스 끈 이론을 기반으로 한다.
• 빅뱅 핵합성(BBN) 기간 동안 U-쿼크 하드론의 초기 우주에서의 생성을 모델링하며, 열적 동결 및 이후의 천체물리적 진화를 가정한다.
• Coulomb 유사 y-상호작용을 사용하여 (UUD)++ 및 (ŪŪŪ)--- 바리온이 4He 핵과 결합하여 중성의 원자 유사 상태를 형성하는 것을 분석한다.
• 이상 이소토프(예: 1H, 4He) 및 BBN에 기반한 천체물리적 제약 조건을 이용하여 U-쿼크 수명 및 밀도에 대한 제약을 설정한다.
• 은하 물질과의 고에너지 우주선의 산란 반응을 통해 우주선 내 U-하드론의 유량을 추정하고, AMS02 및 PAMELA의 감도와 비교한다.
• 가속기 실험에서의 서명을 평가: 고운동량(pT), 저속도의 U-하드론이 탐지기에서 전하 전환 효과를 보이며, 배경 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 새로운 U(1) 게이지 대칭(y-전하)이 제4세대 쿼크 중 가장 가벼운 쿼크(U-쿼크)를 안정화시켜 붕괴를 방지하고, 장수하는 하드론을 형성할 수 있는가?
• RQ2 U-하드론의 천체물리학적 및 우주론적 서명, 특히 우주선 유량 및 전자기 스펙트럼에서의 서명은 무엇인가?
• RQ3 헬륨-4 핵과의 핵결합 효과가 (ŪŪŪ)--- 및 (UUD)++과 같은 이색 하드론을 물질 내에서 억제하거나 안정화시키는 방식은 어떻게 되는가?
• RQ4 전하 +1 또는 -2인 U-하드론은 수소 및 헬륨의 이방이성 이소토프에 대한 실험적 제한을 우회할 수 있는가?
• RQ5 제4세대 쿼크에 대한 천체물리적 비대칭성이 헬륨-4와의 y-상호작용 결합 상태를 통해 타당한 핵상호작용을 하는 암흑물질 후보를 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 제4세대 쿼크 중 가장 가벼운 쿼크(U)는 새로운 U(1) 게이지 대칭(y-전하)에 의해 안정화될 경우, 우주의 연령을 초월하는 수명을 가지며, 천체물리학적 잔류 입자로 존재할 수 있다.
• U-하드론인 (UUD)++ 및 (ŪŪŪ)---는 4He 핵과 결합하여 중성의 원자 유사 상태를 형성할 수 있으며, 이는 지구물질에서의 탐지 가능성을 줄이고 이방이성 이소토프 탐색 제약을 피할 수 있다.
• 전하 대칭 조건 하에서는 +1 전하를 띤 U-하드론이 이방이성 수소를 과잉 생성할 수 있으나, 이 경우 U-쿼크 수명이 약 10^6 년 이하일 경우에만 가능하므로, 고에너지 실험에서 검출 가능한 좁은 창이 존재한다.
• 전하 비대칭 조건 하에서는 제4세대의 (메타)안정적인 반입자 업 쿼크들이 4He와 결합하여 따뜻한 암흑물질 유사 성질을 가지는 새로운 암흑물질 후보를 형성하며, 이는 초기 중원소 생성을 촉매화할 수 있다.
• 전하 +2인 U-바리온 및 전하 -2인 반U-바리온의 우주선 유량은 PAMELA 및 AMS02에서 검출 가능하며, 향후 실험 감도 수준과 유사하거나 그 이하의 유량을 가진다.
• LHC 실험은 질량이 최대 1.5 TeV 이하인 U-쿼크를 발견할 가능성이 높으며, 특히 탐지기 내에서 전하 전환 효과를 보이는 고운동량(pT), 저속도 신호를 통해 배경 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다.