[论文解读] May Heavy hadrons of the 4th generation be hidden in our Universe while close to detection?

K. M. Belotsky, Daniele Fargion+4 more|ArXiv.org|Nov 20, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 7

一句话总结

该论文研究了自稳定第四代夸克在双电荷强子（如 $\Delta^{++}_U$）和中性介子中束缚时，可能长期存在或稳定，从而避开当前实验探测，但仍接近可探测状态的可能性。研究表明，这类强子可在原初核合成和宇宙演化过程中存活，其遗迹丰度受宇宙微波背景和伽马射线背景限制，暗示其可能隐藏于宇宙射线或地球上。

ABSTRACT

Metastable quarks of 4th generation are predicted in the framework of heterotic string phenomenology. Their presence in heavy stable hadrons are usually strongly constrained; however their hidden compositions in Heavy doubly charged baryons here considered are found to be still allowable: we studied their primordial quark production in the early Universe, their freezing into cosmic Heavy hadrons, their later annihilation into cosmic ray as well as their relic presence in our Universe and among us on Earth. We discuss also their possible production in present or future accelerators. Indeed if the lightest quarks and antiquarks of the 4th generation are stored in doubly charged baryons and neutral mesons, their lifetime can exceed the age of the Universe; the existence of such an anomalous Helium-like (and neutral Pion-like) stable particles may escape present experimental limits, while being close to present and future experimental test. On the contrary primordial abundance of lightest hadrons of the 4th generation with charge +1 can not decrease below the experimental upper limits on anomalous hydrogen and therefore (if stable) it is excluded. While 4th quark hadrons are rare, their presence may play different and surprising role in cosmic rays, muon and neutrino fluxes and cosmic electromagnetic spectra. Most of these traces are tiny, but just nearly detectable.

研究动机与目标

• 评估早期宇宙和现今环境中长寿命或稳定第四代强子（特别是双电荷强子和中性介子）的可行性。
• 评估此类强子是否可在避开异常氢和同位素异常实验限制的同时，仍保持近可探测性。
• 分析宇宙射线和星际介质中第四代强子的原初生成、遗迹丰度及湮灭信号。
• 基于大爆炸核合成和宇宙微波背景畸变的宇宙学约束，限制第四代夸克的寿命。
• 探索未来在加速器和宇宙射线实验中探测的可能性。

提出的方法

• 通过热冻结和强子化过程建模早期宇宙中夸克的原初生成，假设 $y$-荷守恒，形成 $Uuu$、$Uud$ 和 $\bar{U}u$ 态。
• 在辐射主导和物质主导时代应用动力学方程，结合 $\langle \sigma v \rangle$ 平均湮灭截面。
• 利用原初核合成约束限制 $Q\bar{Q}$ 湮灭产物（特别是 $^6$Li、$^7$Li 和 $^7$Be）的丰度，避免过量生成。
• 评估晚期 $Q\bar{Q}$ 湮灭引起的 CMB 光谱畸变和河外伽马射线背景，以约束强子寿命。
• 评估 $D$-夸克强子与质子和氦的原子结合，以探索其在异常氢搜索中难以探测的原因。
• 应用夸克模型论证 $Dud$、$Ddd$ 和 $\bar{D}d$ 态相对于 $p-n$ 系统的稳定性和结合潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 双电荷 $Uuu$ 强子和中性 $\bar{U}u$ 介子是否可能稳定或亚稳态，从而避开当前实验探测？
• RQ2 大爆炸核合成和 CMB 光谱畸变对第四代强子遗迹丰度有何宇宙学约束？
• RQ3 在物质主导时代，$Q\bar{Q}$ 对的晚期湮灭如何影响河外伽马射线背景和 CMB？
• RQ4 $D$-夸克强子是否能与质子或氦形成弱结合原子系统，使其在标准异常氢搜索中不可探测？
• RQ5 $Q\bar{Q}$ 湮灭对原初 $^6$Li 丰度有何影响？这如何约束第四代夸克的寿命？

主要发现

• 在理论上，$Uuu$ 强子和 $\bar{U}u$ 介子是第四代最轻的强子，其双电荷和中性态因 $y$-荷守恒而可能具有长寿命。
• 在物质主导时代，$Q$-强子的遗迹丰度被抑制约 20 倍，使星系形成前的丰度降至 $r_4 \sim 10^{-8}$，若稳定则仍可导致可探测的 CMB 異常。
• 若强子寿命超过 $10^{15}$ 秒，则物质主导时代晚期的 $Q\bar{Q}$ 湮灭将产生与 EGRET 数据不符的伽马射线背景。
• $^6$Li 过量生成的约束将 $Q\bar{Q}$ 湮灭分数限制在 $f_4 < 1.3 \times 10^{-6}$，排除了 $f_4 = 2 \times 10^{-6}$ 的情况，因此要求 $Q$-强子不稳定。
• 中性 $Dud$ 和 $Ddd$ 强子可能与质子或氦形成弱结合原子系统，由于截面极低，可能在异常氢搜索中无法探测。
• 若 $D$-夸克形成 $Z=+1$ 态，则其寿命不能超过宇宙年龄，否则将使异常氢过量达 15 个数量级，因此加速器探测至关重要。