[论文解读] Source of CP Violation for Baryon Asymmetry of the Universe

W.-S. Hou|ArXiv.org|Mar 8, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 46

一句话总结

本文提出，一种顺序的第四代夸克——特别是 $t'$ 和 $b'$ 夸克——可能提供一种强烈增强的 CP 破坏源，从而克服标准模型在重子不对称性方面 $10^{-10}$ 的不足。该机制依赖于 2-3-4 夸克区的强规范耦合，可使 CP 破坏增强超过 $10^{13}$ 倍，使其在重子生成中具有可行性，关键测试途径包括 $B_s^0$ 混合中的 $ an 2 ilde{ heta}_{B_s}$ 和大型强子对撞机（LHC）上对 $t'$、$b'$ 的直接探测。

ABSTRACT

The baryon asymmetry of the Universe requires CP violation, but the Standard Model falls short by a factor of $10^{-10}$ or more. Starting from a clue at the $B$ factories, we point out that the large Yukawa couplings of the sequential fourth generation $t^\prime$ and $b^\prime$ quarks can provide enhancement by a factor of over $10^{13}$, making the 2-3-4 generation quark sector a viable source of CP violation for the baryon asymmetry of the Universe. With recent hints of large $\sin2Φ_{B_s}$ in $B_s^0$-$\bar B_s^0$ mixing from the Tevatron, the ultimate test would be to discover the $t^\prime$ and $b^\prime$ quarks at the Large Hadron Collider.

研究动机与目标

• 解决标准模型在生成宇宙观测到的重子不对称性时，CP 破坏存在 $10^{-10}$ 不足的问题。
• 探讨是否存在一个第四代夸克，其具有强规范耦合，可提供一种可行且增强的 CP 破坏源。
• 识别可检验的信号——特别是 $B_s^0$ 混合中 $ an 2 ilde{ heta}_{B_s}$ 的显著值，以及在 Tevatron 和 LHC 上对 $t'$、$b'$ 的直接探测。
• 评估 2-3-4 夸克区是否能在不引入标准模型之外新动力学的前提下，满足萨哈罗夫的重子生成条件。

提出的方法

• 在四代夸克模型背景下分析 Jarlskog 不变量 $J$，表明 $t'$ 和 $b'$ 区的强规范耦合可使 CP 破坏增强超过 $10^{13}$ 倍。
• 使用扩展至四代的幺正三角形形式，其中 $b \to d$ 和 $b \to s$ 衰变在复平面上形成一个大的四边形，表明 CP 破坏增强。
• 评估涉及 $t'$ 和 $b'$ 夸克的 $\bar{s}b \leftrightarrow \bar{b}s$ 方盒图，其对 $B_s^0$-$\bar{B}_s^0$ 混合产生非解耦效应。
• 应用 $\tan 2 ilde{ heta}_{B_s}$ 参数作为 $B_s^0$ 系统中 CP 破坏的可观测量代理，与 SM3 的预测值（$\sim -0.04$）对比，SM4 的预测值为 $\sim -0.5$ 至 $-0.7$。
• 考虑电弱相变强度和非微扰效应，建议强规范耦合可能通过新束缚态稳定理论，避免幺正性破坏。
• 提出在 LHC 上对 $t'$ 和 $b'$ 进行直接搜索作为最终检验，鉴于近期 Tevatron 对大 $ an 2 ilde{ heta}_{B_s}$ 的提示。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有强规范耦合的第四代夸克是否能解决标准模型在重子生成中 $10^{-10}$ 的 CP 破坏不足？
• RQ2 在 2-3-4 夸克区中引入 $t'$ 和 $b'$ 夸克是否会导致 CP 破坏的非解耦增强，足以解释观测到的重子不对称性？
• RQ3 $B_s^0$-$\bar{B}_s^0$ 系统中预测的 $ an 2 ilde{ heta}_{B_s}$ 是否足够大，可在 LHC 上被探测到，且是否与近期 Tevatron 数据一致？
• RQ4 在增强 CP 破坏的前提下，2-3-4 模型中的电弱相变是否足够强，以满足萨哈罗夫重子生成的第三条件？
• RQ5 $t'$ 和 $b'$ 夸克在 LHC 上的可探测信号是什么，以及何时可能被观测到？

主要发现

• 在标准模型中引入具有强规范耦合的第四代夸克，可使 CP 破坏增强超过 $10^{13}$ 倍，弥合了标准模型 $10^{-20}$ 的 CPV 强度与重子不对称性所需 $10^{-10}$ 之间的差距。
• 该模型预测 $B_s^0$-$\bar{B}_s^0$ 系统中 $ an 2 ilde{ heta}_{B_s}$ 值较大，范围在 $-0.5$ 至 $-0.7$ 之间，显著高于 SM3 的预测值 $\sim -0.04$。
• 近期 Tevatron 数据，特别是 UTfit 的联合拟合，给出 $ ilde{ heta}_{B_s} \sim -0.67$ 的中心值，与四代模型预测的大 $ an 2 ilde{ heta}_{B_s}$ 一致。
• $t'$ 和 $b'$ 夸克可在 LHC 上进行直接搜索，目前 Tevatron 的限制已接近 $300\,\text{GeV}$，使得近期发现成为可能。
• 该模型保持了标准模型的动力学，但通过 2-3-4 夸克区引入了新的 CP 破坏源，为解释重子生成提供了一种最小扩展。
• 由于 $t'$ 和 $b'$ 对 $\bar{s}b \leftrightarrow \bar{b}s$ 方盒图的贡献具有非解耦性质，即使在高能质量下其效应仍保持显著，从而产生强烈的 CPV 信号。