[论文解读] New Bound States of Top and Beauty Quarks at the Tevatron and LHC

C. R. Das, C.D. Froggatt+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 6

一句话总结

本文在标准模型中提出了一类由顶夸克和反顶夸克组成的新型束缚态——T-球，其形成源于顶夸克与希格斯玻色子之间强烈的相互作用，该作用由较大的顶夸克汤川耦合（$g_t \approx 1$）驱动。该研究预测了一种标量 $1S$ 束缚态，由 $6t+6\bar{t}$ 组成，由于强结合效应导致质量近乎完全抵消；同时预测了一种费米子型 $6t+5\bar{t}$ 态，其量子数类似于第四代夸克，质量 $M_{T_f} \gtrsim 300$ GeV，可能在 Tevatron 和 LHC 的实验中得到解释。

ABSTRACT

The present paper is based on the assumption that heavy quarks bound states exist in the Standard Model (SM). Considering New Bound States (NBS) of top-anti-top quarks (named T-balls) we have shown that: 1) there exists the scalar 1S-bound state of 6t+6\bar t; 2) the forces which bind the top-quarks are very strong and almost completely compensate the mass of the twelve top-anti-top-quarks in the scalar NBS; 3) such strong forces are produced by the Higgs-top-quarks interaction with a large value of the top-quark Yukawa coupling constant g_t\simeq 1. Theory also predicts the existence of the NBS 6t + 5\bar t, which is a color triplet and a fermion similar to the t'-quark of the fourth generation. We have also considered the "b-quark-replaced" NBS. We have estimated the masses of the lightest fermionic NBS: M_{NBS}\gtrsim 300 GeV, and discussed the larger masses of T-balls. Searching for heavy quarks bound states at the Tevatron and LHC is discussed.

研究动机与目标

• 研究在标准模型中是否存在由顶夸克与反顶夸克组成的新型束缚态（T-球），假设其由强希格斯介导的相互作用形成。
• 探讨此类束缚态是否可解释 Tevatron 数据中的异常现象（如未解释的截面），而无需引入第四代夸克。
• 在顶夸克汤川耦合较大的假设下，估算标量与费米子型 T-球（特别是 $6t+6\bar{t}$ 和 $6t+5\bar{t}$）的质量与形式因子。
• 评估这些 T-球在 Tevatron 和 LHC 中的可探测性，特别是通过粒子对产生与衰变信号。
• 考察底夸克在 T-球中被取代的效应，导致同位旋 singlet 态的形成以及质量谱的改变。

提出的方法

• 利用汤川耦合 $g_t \approx 0.93$ 的希格斯-顶夸克相互作用，模拟顶夸克之间的吸引力，通过虚希格斯玻色子交换形成束缚态。
• 采用袋模型方法，其中 T-球内部的希格斯真空期望值（$v_0 < v$）被降低，从而改变有效夸克质量并增强结合效应。
• 采用类汤川势 $V(r) \approx -\frac{g_t^2/2}{4\pi r}$ 来描述小半径区域（$m_H R_0 \ll 1$）的相互作用，近似为库仑型势以估算结合能。
• 应用泡利不相容原理，由于自旋与色荷共有 $2 \times 3 = 6$ 个自由度，限制 $1S$ 态中 $t\bar{t}$ 对的数量最多为六对。
• 通过将 CDF 实验中观测到的截面与点状粒子的理论预测进行拟合，从 Tevatron CDF 数据中估算形式因子 $F(M_T)$，假设 T-球产生而非 $t'$ 夸克。
• 考虑衰变道如 $H \to 2T_s$ 和 $T_f \bar{T}_f$ 产生，并与 $t'\bar{t}'$ 对产生截面进行比较，以约束 T-球的性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准模型中，强希格斯介导的相互作用是否能导致顶夸克与反顶夸克的稳定或长寿命束缚态？
• RQ2 标量 $1S$ 波 $6t+6\bar{t}$ T-球的结合能与质量是多少？其是否能近乎完全抵消 12 个顶夸克的总质量？
• RQ3 $6t+5\bar{t}$ 态是否形成一种具有类似第四代夸克量子数的费米子束缚态？
• RQ4 Tevatron CDF 实验中先前归因于第四代 $t'$ 夸克的观测截面，是否可由费米子型 T-球的产生来解释？
• RQ5 在质量范围 $M_{T_f} \gtrsim 300$ GeV 下，T-球的形式因子与可探测性前景如何？

主要发现

• 存在一种标量 $1S$ 束缚态 $6t+6\bar{t}$，其结合能极强，几乎完全抵消了 12 个顶夸克的总质量，暗示其为极轻或快子态。
• $6t+5\bar{t}$ 态被预测为一个色三重态费米子，其量子数与第四代夸克相似，质量 $M_{T_f} \gtrsim 300$ GeV。
• 最轻的标量 T-球（$T_s$）的质量可能为零甚至为快子态（$M_{T_s}^2 < 0$），暗示在电弱尺度发生自发凝聚并形成新的真空态。
• 基于 CDF 数据的形式因子分析显示，在 $M_T = 500$ GeV 处 $F(M_T) \approx 7.6$，表明其显著偏离点状行为，支持 T-球产生而非 $t'$ 夸克。
• Tevatron 中观测到的截面 $\sigma(p\bar{p} \to t'\bar{t}') \approx 0.1$ pb 可通过 $M_{T_f} \gtrsim 300$ GeV 的 $T_f\bar{T}_f$ 对产生来解释。
• LHC 中对 $H \to 2T_s$ 和 $T_f\bar{T}_f$ 产生的联合探测，结合 $t'\bar{t}'$ 签名，是探测这些新束缚态的可行途径。