[論文レビュー] Towards Partial Compositeness on the Lattice: Baryons with Fermions in Multiple Representations

Thomas DeGrand, Daniel C. Hackett+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

このラティス研究では、基礎表現とセクセット表現のフェルミオンを含むSU(4)ゲージ理論を調査し、1つのセクセットと2つの基礎表現クォークからなる「キメラバリオン」を導入する。動的基礎フェルミオンにクエンチドバリオンセクセットを導入した結果、軽いセクセットクォーク質量において$\Sigma$状態が最も軽いバリオンとなることが判明し、SU(4)クォーク模型の予測を確認するとともに、$m_q/m_Q \approx 1/2$の地点で交差する逆転多重項を示し、複合ヒッグス模型におけるトップクォークの部分的コンposite性に関連する。

ABSTRACT

We describe our recent lattice study of SU(4) gauge theory with fermions in the fundamental and sextet representations. In this theory, a new type of baryon consists of quarks in both representations. The spectrum of these "chimera baryons" has a straightforward interpretation in terms of a non-relativistic quark model based on SU(4). Our results are particularly relevant to composite Higgs models in which the top quark is partially composite.

研究の動機と目的

• SU(4)ゲージ理論における複数の表現にわたるフェルミオンのスペクトルを調査し、特に基礎表現とセクセット表現のクォークを含むバリオンの存在と性質を明らかにすること。
• ラティスQCDフレームワーク内で、非相対論的SU(4)クォーク模型によるバリオン質量分割の予測を検証すること。
• キメラバリオン（1つのセクセットと2つの基礎フェルミオンからなる）が、スペクトルの中で最も軽いバリオンとなる可能性があるかどうかを評価し、これは複合ヒッグス模型におけるトップクォークのパートナーとしての妥当性の鍵である。
• クォーク質量比$ m_q/m_Q $の関数として$(\Lambda - \Sigma)$質量分割の挙動を調査し、特に準位の交差位置を特定すること。

提案手法

• 既存のゲージ配置を用いたラティスシミュレーションを実施し、$\kappa_4 = 0.1265$, $\beta = 10.2$, 体積$16^3 \times 32$の条件下で、2つの動的基礎フェルミオンを含む以前のSU(4)研究に由来する。
• バリオンセクセットフェルミオンは、調整可能な hopping パrameter $\kappa_6$ を用いて導入され、基礎クォーク質量を固定したままセクセットクォーク質量を制御可能となる。
• キメラバリオン（$\Sigma^*$, $\Sigma$, $\Lambda$）の相関関数を計算・解析し、スペクトル構造を評価。非デゲネレート状態を示す非対称な形状が得られた。
• 回転子模型の$J(J+1)$分割パターンを用いて、$q^4$および$Q^6$多重項の最も軽い状態から、構成クォーク質量$m_q$と$m_Q$を推定した。
• $m_q/m_Q$に対する$(\Lambda - \Sigma)$質量分割をプロットし、交差点をクォーク模型の予測値$1/2$と比較した。
• 基礎、セクセット、キメラ状態を含む全バリオンスペクトルを解析し、SU(4)クォーク模型の期待と整合することを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SU(4)ゲージ理論における混合フェルミオン表現を有するバリオンスペクトルは、非相対論的SU(4)クォーク模型が予測する質量分割を示すか？
• RQ2 クォーク質量比$ m_q/m_Q $がどの値で$\Sigma$状態が$\Lambda$状態より軽くなるか（逆転多重項を示すか）？
• RQ3 軽いセクセットクォークを持つキメラバリオン（1つのセクセットと2つの基礎フェルミオンからなる）は、スペクトルの中で最も軽いバリオンとなる可能性があるか？
• RQ4 観測された質量分割は、色ハイパーフィールド相互作用の期待される$1/m_q^2$スケーリングに一致しており、特にセクセット表現では結合が強化されているか？
• RQ5 ラティススペクトルは、キメラバリオンが部分的コンポジット性モデルにおける有効なトップクォークパートナーとなり得るという仮説を支持するか？

主な発見

• 大きな$\kappa_6$（軽いセクセットクォーク質量に対応）において$\Sigma$状態が最も軽いキメラバリオンとなることが確認され、SU(4)クォーク模型の予測である逆転多重項の存在を裏付けた。
• $(\Lambda - \Sigma)$質量分割が$ m_q/m_Q \approx 0.5 $でゼロを crosses し、クォーク模型の予測値$1/2$と非常に良好に一致した。
• 単一表現バリオン（$q^4$ および $Q^6$）のスペクトルは、クォーク模型に整合する回転子的分割を示し、構成クォーク質量の推定が妥当であることを検証した。
• 構成クォーク質量は、$J(J+1)$分割パターンに基づき、$m_q = m_{q^4}^{\text{ground}}/4$ および $m_Q = m_{Q^6}^{\text{ground}}/6$ として推定された。
• 大きな$\kappa_6$において、キメラバリオンがスペクトルの中で最も軽いバリオンとなる一方、基礎バリオンは固定された$\kappa_4$により質量が固定されたままであり、軽い複合パートナーとしての可能性を示した。
• 相関関数の非対称な形状は、キメラ状態の非デゲネレート性を確認し、状態同定の妥当性を支持した。