[论文解读] New Bound States of several Top-quarks bound by Higgs Exchange

C.D. Froggatt, H. B. Nielsen|ArXiv.org|Oct 2, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 13

一句话总结

本文提出，顶夸克的Yukawa耦合被微调至使得通过希格斯玻色子交换形成12个顶-反顶夸克束缚态（6+6）恰好为无质量态，其预测的耦合值为 $ g_t|_{m_{12}=0} = 1.01 \pm 0.15 $，与实验测得的 $ 0.935 \pm 0.080 $ 非常接近。作者认为，凝聚态12夸克态与非凝聚相之间的近简并性可通过多重点原理（MPP）解释，从而为层次问题提供解决方案，并预测存在一系列重束缚态谱。

ABSTRACT

It is suggested that there is a fine tuning principle remarkably arranging the top-quark Yukawa coupling to be just so as to make the mass $m_{12}$ of a bound state of 6 top + 6 anti-top quarks become very small. The value of the top Yukawa needed for Higgs and gluon etc. exchanges just binding the 12 quarks to make this mass zero is $g_t|_{m_{12}=0} =1.01 \pm 0.15$, while the experimental running top Yukawa coupling is $g_t = .94$.

研究动机与目标

• 研究顶夸克Yukawa耦合是否被微调至允许通过希格斯交换形成12个夸克束缚态（6个顶夸克+6个反顶夸克）恰好为无质量态。
• 探讨这种近无质量性对标准模型中层次问题的影响。
• 检验观测到的顶夸克Yukawa耦合是否与基于多重点原理（MPP）推导出的理论预测一致。
• 预测具有Z = 10、11、12个组分的束缚态谱，并估算其质量。
• 研究这些束缚态在大型强子对撞机（LHC）或费米实验室对撞机（Tevatron）上的产生与衰变信号特征。

提出的方法

• 使用玻尔模型近似估算通过t-和u-通道希格斯交换形成的12个顶-反顶夸克束缚态的结合能，得出 $ E_{\text{binding}} \propto g_t^4 m_t $。
• 应用无限动量参考系近似，将相对论性束缚态问题在非相对论性框架下处理。
• 引入胶子交换的修正，并考虑在束缚态形成过程中将左手性顶夸克替换为左手性底夸克的影响。
• 推导出临界Yukawa耦合 $ g_t|_{m_{12}=0} $，使得结合能恰好抵消12夸克系统的静质量。
• 提出质量公式 $ m_Z^2 = m_t^2 Z^2 (1 - (Z/12)^2) $，作为Z个夸克束缚态质量平方的插值表达式。
• 分析对撞机中的产生机制，包括6t+5\bar{t}色三重态的对产生及其后续衰变为12夸克束缚态。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种顶Yukawa耦合值可使通过希格斯交换形成的12夸克束缚态（6个顶夸克+6个反顶夸克）恰好为无质量态？
• RQ2 观测到的顶Yukawa耦合实验值与 $ m_{12} = 0 $ 情况下的理论预测值相比如何？
• RQ3 12夸克凝聚相与非凝聚相之间的近简并性是否可由如多重点原理（MPP）这样的基本原理解释？
• RQ4 具有Z = 10、11、12个顶-反顶夸克的束缚态的预测质量谱为何？
• RQ5 在LHC或Tevatron上，这些重束缚态的产生与衰变信号特征是什么？

主要发现

• 基于包含多项修正的详细计算，预测使12夸克束缚态恰好无质量的临界顶Yukawa耦合为 $ g_t|_{m_{12}=0} = 1.01 \pm 0.15 $。
• 该预测值与实验测得的运行顶Yukawa耦合值 $ 0.935 \pm 0.080 $ 非常吻合，暗示了显著的巧合。
• 基于所提出的质量公式，11夸克束缚态的质量估计为 $ m_{11} = 760 \, \text{GeV} $，10夸克束缚态的质量估计为 $ m_{10} = 950 \, \text{GeV} $。
• 由于12夸克束缚态为色 singlet，无法通过胶子融合直接产生，但可能作为更重的6t+5\bar{t}色三重态的衰变产物产生。
• 若12夸克态非常轻，其将衰变为多个胶子喷注，在高能下可能表现为单一喷注，可能与顶夸克关联被探测到。
• 若存在一个具有12夸克凝聚的简并真空中，且与普朗克尺度的简并真空中结合，可通过多重点原理（MPP）解决层次问题。