[论文解读] New Physics at the Tevatron and the LHC May Relate to Dark Matter Visible in UHE Cosmic Rays

Alan R. White|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用 6

一句话总结

本文提出，在量子色动力学（QCD）中引入一个两味色八重态夸克场，可统一解释多种高能现象：超高能宇宙射线被解释为暗物质八重态中子（neusons），LHC/费米实验室的Z玻色子对和顶夸克产生异常，以及电弱对称性自发破缺——所有这些现象均无需引入希格斯玻色子。核心贡献是一个统一框架，即量子统一/统一/唯一/幺正/基础动力学（QUD），其中所有粒子均为动力学生成的束缚态，标准模型从一个无规范反常、无基本质量参数的共形、反常驱动S矩阵中自然涌现。

ABSTRACT

A two flavor color sextet quark sector added to QCD yields the {\it uniquely} unitary Critical Pomeron at high energy while also producing electroweak symmetry breaking. In this paper it is argued that a number of experimental phenomena in Cosmic Ray and hadron collider physics can be interpreted as evidence for the sextet sector. These phenomena include (1) Top quark production is via the eta_6 sextet quark pseudoscalar resonance - interference with the background will produce an asymmetry. (2) Longitudinal Z pairs, produced as sextet pions, provide a high mass excess cross-section that includes the eta_6 at the t-tbar threshold mass. Combining the sextet sector and the electroweak interaction without short-distance anomalies requires QUD - a unique underlying weak coupling massless SU(5) gauge theory. Remarkably, it appears that the Standard Model might be reproduced (in a radical conceptual change) by the QUD bound-state S-Matrix. Infra-red divergent gauge bosons coupled to massless fermion anomalies produce a "wee parton vacuum" that confines the elementary fermions. All S-Matrix particles have dynamically generated masses, with sextet baryons as the only new particles - beyond the Standard Model. Anomaly color factors produce large sextet amplitudes and there is no Higgs boson.

研究动机与目标

• 通过QCD中新的两味色八重态夸克场，解释超高能宇宙射线、费米实验室及LHC数据中的观测异常。
• 通过一种新颖的基础理论，统一强相互作用与电弱动力学，调和高能宇宙射线物理与高亮度对撞机物理之间的矛盾。
• 挑战标准模型的希格斯范式，提出希格斯样角色由$η_{6}$赝标介子共振态承担，质量通过QUD动力学生成。
• 在无短程物理或希格斯玻色子的前提下，提供电弱对称性破缺与顶夸克产生的机制。
• 通过无质量参数与无短程发散的束缚态S矩阵框架，统一QCD与电弱相互作用。

提出的方法

• 在QCD中引入两味色八重态夸克场，产生临界Pomeron并实现高能散射的幺正性。
• 提出量子统一/统一/唯一/幺正/基础动力学（QUD）——一种无质量的SU(5)规范理论，具有红外发散的规范玻色子与无质量费米子反常。
• 利用S矩阵形式化推导所有粒子（包括中微子与八重态重子）的动力学质量，无需拉格朗日量中的质量参数。
• 应用Reggeon图技术建模高能散射振幅，其中八重态场贡献的三 Pomeron耦合可增强小-$p_{\perp}$、高多重态事件。
• 将顶夸克产生建模为通过$η_{6}$赝标介子八重态夸克态的共振衰变，其截面中因干涉效应产生不对称性。
• 利用非微扰修正分析包含Z对与W对的截面，作为探测$η_{6}$共振态的手段，尤其关注$t\bar{t}$阈值附近的行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 超高能宇宙射线谱中观测到的‘膝’结构是否可由八重态中子与质子在八重态场中的产生阈值解释？
• RQ2 LHC中观测到的小-$p_{\perp}$、高多重态事件增强是否源于八重态生成的三 Pomeron耦合？
• RQ3 LHC数据中观测到的Z对与W对过剩是否可归因于$η_{6}$赝标介子共振态及其衰变模式？
• RQ4 顶夸克产生是否由$η_{6}$共振态介导，且其截面中可观测到干涉不对称性？
• RQ5 在无希格斯玻色子的前提下，能否通过QUD与八重态动力学实现电弱对称性破缺？

主要发现

• 宇宙射线谱的‘膝’结构被解释为入射八重态中子与八重态场中质子产生阈值效应的结果。
• LHC中高多重态、小-$p_{\perp}$事件的增强可由八重态生成的三 Pomeron耦合解释，该耦合主导了小-$p_{\perp}$区域的动力学。
• 高能区的纵向Z对产生被归因于八重态π介子，其截面在$t\bar{t}$阈值处因$η_{6}$态而出现共振峰。
• 预测W对产生增强，将导致W+二胶球截面出现过剩，构成直接的实验信号。
• 顶夸克产生通过$η_{6}$赝标介子共振态与QCD背景的干涉机制解释，产生可观测的截面不对称性。
• 初步ATLAS喷注截面数据在$p_{\perp} \sim m_{top}$以上显示出潜在过剩，与八重态场在顶夸克质量标度进入动力学行为一致。