[論文レビュー] Stable Sexaquark

Glennys R. Farrar|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、質量 ≤2 GeV の安定で中性のスカラーのセキサクォーク（S）である uuddss クォークから成る B=2, S=-2 の存在を提案する。m_S ≤ 1877.6 MeV であれば、絶対的に安定である可能性がある。S は実現可能なダークマター候補であり、本稿では2つの実験的戦略——Upsilon崩壊における B=±2, S=∓2 の signatures の探索、および LHC ビームパイプでの S-散漫反応チェーンの検出——を提案し、質量測定のためのエネルギー運動量保存則と特徴的な崩壊パターンを活用して発見を図る。

ABSTRACT

It is proposed that the neutral, B=2, flavor singlet sexaquark (S) composed of uuddss quarks, has mass m_S

研究の動機と目的

• 質量 ≤2 GeV の安定でフレーバー単一状態、スピン0のセキサクォーク（S）が uuddss クォークで構成され、m_S ≤ 2(m_p + m_e) であれば絶対的に安定である可能性を提案すること。
• そのような安定な S が QCD と整合し、波動関数がコンパクトで低エネルギー衝突における生成断面積が小さいため、過去の検出に失敗した可能性を主張すること。
• 検出の課題を克服するため、Upsilon崩壊における探索と LHC ビームパイプでの散漫反応検出という、相補的な2つの実験的戦略を提案し、S やその反粒子を検出すること。
• 排他的な Upsilon崩壊における欠落質量と LHC 散漫反応チェーンにおけるエネルギー運動量保存則を用いて、S の質量を測定できることを示すこと。
• S が実現可能なダークマター候補であり、宇宙論的豊度が観測されたダークマター密度と一致し、バリオン物質と最小限の相互作用を持つこと。

提案手法

• S がスカラー、フレーバー単一状態、パリティ偶数のボソンであり、Q=0, B=2, S=-2 であると仮定し、空間的波動関数が完全に対称であるため、深く束縛された状態が可能であることを示す。
• バリオン数保存則を用いて、m_S ≤ 1877.6 MeV であれば絶対的安定性が保証され、m_S < 2054.5 MeV であれば宇宙の年齢より長い寿命が得られることを論じる。
• 格子QCD（Beane et al. 2013）の間接的証拠と H-二バリオン信号の不在を根拠に、m_S ≤ 2 GeV であると推測する。
• Upsilon崩壊において ΔB=±2, ΔS=∓2 の最終状態（例：SΛ̄Λ̄ や S̄ΛΛ）を探索し、欠落質量再構成を用いる。
• LHC におけるビームパイプまたは検出器内での S̄ 散漫反応を探索し、Ξ̄, Λ̄, ピオンを含む特徴的な崩壊チェーンを特定して信号を分離する。
• 再構成された散漫反応事象におけるエネルギー運動量保存則を用いて、S̄ の3次元運動量と運動エネルギーを導出し、質量測定を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量 ≤2 GeV の深く束縛された uuddss セキサクォーク状態が、QCD とバリオン数保存則と整合する形で存在可能か？
• RQ2 そのような S が潜在的に安定であるにもかかわらず、過去の加速器および非加速器実験で検出されなかった理由は何か？
• RQ3 そのような S や S̄ を、弱い生成断面積とコンパクトな波動関数を考慮して、Upsilon崩壊および LHC 衝突で検出するための実験的シグネチャは何か？
• RQ4 排他的崩壊チェーンから、Upsilon崩壊および LHC イベントにおける S の質量をどのように測定できるか？
• RQ5 S は実現可能なダークマター候補であり、その宇宙論的豊度は観測されたダークマター密度と一致するか？

主な発見

• m_S ≤ 1877.6 MeV であれば、バリオン数保存則により S は絶対的に安定であると提案される。これは2つの陽子-電子質量の和に相当する。
• m_S < 2054.5 MeV であれば、二重に弱い崩壊（p + e + Λ への崩壊）の閾値を下回るため、S の寿命は宇宙の年齢よりも長くなる可能性がある。
• 既存の Upsilon崩壊データには、狭い Λpπ⁻ 共鳴状態の証拠がなく、m_S ≳ 2 GeV に対して強い制限が得られている。これにより、2 GeV 未満の範囲は未探索のまま残っている。
• LHC データには、特に専用トリガーを用いれば、最大で 10⁵ 個の再構成可能な S̄ 散漫反応チェーンが含まれる可能性があり、質量測定が可能である。
• S の質量は、排他的な Upsilon崩壊における欠落質量と、LHC における S̄ 散漫反応事象におけるエネルギー運動量保存則を用いて測定可能である。
• S は強力なダークマター候補であり、クォーク-グルーオンプラズマ状態におけるボルツマン方程式による予測された宇宙論的豊度が、観測された Ω_DM/Ω_b と一致する。