[论文解读] Stable quarks of the 4th family?

K. M. Belotsky, Maxim Khlopov+1 more|ArXiv.org|Jun 5, 2008

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 36被引用 14

一句话总结

本文提出，由于一种新的U(1)规范对称性（y-电荷）的稳定作用，亚稳态的第四代夸克——特别是上型夸克（U）——可能存在于自然界中，从而形成如双电荷重子等奇异强子，以及与氦-4形成的束缚态。这些粒子可避开当前实验限制，作为具有核相互作用特性的温暗物质成分，且在宇宙射线、中微子通量和电磁谱中留下可观测的信号。

ABSTRACT

Existence of metastable quarks of new generation can be embedded into phenomenology of heterotic string together with new long range interaction, which only this new generation possesses. We discuss primordial quark production in the early Universe, their successive cosmological evolution and astrophysical effects, as well as possible production in present or future accelerators. In case of a charge symmetry of 4th generation quarks in Universe, they can be stored in neutral mesons, doubly positively charged baryons, while all the doubly negatively charged "baryons" are combined with He-4 into neutral nucleus-size atom-like states. The existence of all these anomalous stable particles may escape present experimental limits, being close to present and future experimental test. Due to the nuclear binding with He-4 primordial lightest baryons of the 4th generation with charge +1 can also escape the experimental upper limits on anomalous isotopes of hydrogen, being compatible with upper limits on anomalous lithium. While 4th quark hadrons are rare, their presence may be nearly detectable in cosmic rays, muon and neutrino fluxes and cosmic electromagnetic spectra. In case of charge asymmetry, a nontrivial solution for the problem of dark matter (DM) can be provided by excessive (meta)stable anti-up quarks of 4th generation, bound with He-4 in specific nuclear-interacting form of dark matter. Such candidate to DM is surprisingly close to Warm Dark Matter by its role in large scale structure formation. It catalyzes primordial heavy element production in Big Bang Nucleosynthesis and new types of nuclear transformations around us.

研究动机与目标

• 探讨由新U(1)规范对称性（y-电荷）稳定的亚稳态第四代夸克在宇宙学与天体物理学上的可行性。
• 分析早期宇宙中U夸克强子的产生及其遗迹丰度，尤其在电荷对称或不对称条件下的情形。
• 评估这些奇异强子在宇宙射线、加速器实验中的可探测性，及其在暗物质与原初核合成中的潜在作用。
• 评估来自异常同位素（如氢、锂）及与氦-4核结合效应的约束。
• 提出一种基于中性、y-相互作用的U强子-4He束缚态的新暗物质候选者，表现出类似温暗物质的行为。

提出的方法

• 采用基于杂交弦理论的唯象模型，引入一种仅对第四代费米子守恒的新U(1)规范对称性（y-电荷）。
• 模拟大爆炸核合成（BBN）期间U夸克强子的原初产生，假设热冻结并随后经历宇宙演化。
• 利用类库仑y-相互作用分析(UUD)++与(ŪŪŪ)---重子与4He核结合形成中性、类原子态的机制，以稳定这些系统。
• 利用异常同位素（如1H、4He）及BBN的宇宙学约束，对U夸克的寿命与丰度施加限制。
• 通过高能宇宙射线在星系物质上的散裂过程估算宇宙射线中U强子的通量，并与AMS02和PAMELA的灵敏度进行比较。
• 评估对撞机信号：具有高pT、低速度的U强子，其在探测器中表现出电荷翻转效应，可实现高效的本底抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 一种新的U(1)规范对称性（y-电荷）是否能稳定最轻的第四代夸克（U夸克），防止其衰变并实现长寿命强子的形成？
• RQ2 U强子在宇宙射线通量和电磁谱中表现出的宇宙学与天体物理学信号是什么？
• RQ3 与4He核的核结合效应如何抑制或稳定如(ŪŪŪ)---和(UUD)++等奇异强子？
• RQ4 带+1或-2电荷的U强子是否能避开对氢与氦异常同位素的实验限制？
• RQ5 第四代夸克的宇宙学不对称性是否可通过与4He的y-相互作用束缚态，形成一种可行的、具有核相互作用特性的暗物质候选者？

主要发现

• 若由新的U(1)规范对称性（y-电荷）稳定，最轻的第四代夸克（U）可具有超过宇宙年龄的亚稳寿命，从而实现宇宙遗迹产生。
• U强子如(UUD)++与(ŪŪŪ)---可与4He核结合形成中性、类原子态，避免在地球物质中被探测，从而避开异常同位素搜索的约束。
• 在电荷对称情况下，若U强子带+1电荷，将导致异常氢同位素过量，除非其寿命短于约10^6年，表明其在加速器中探测存在狭窄窗口。
• 在电荷不对称情况下，第四代(反)上夸克的(亚)稳定态与4He结合，形成一种新型暗物质候选者，具有类似温暗物质的性质，并可催化原初重元素的生成。
• 带+2电荷的U重子与带-2电荷的反U重子的宇宙射线通量可能被PAMELA与AMS02探测到，其通量水平处于未来实验灵敏度的可探测范围内。
• 大型强子对撞机（LHC）实验对质量高达1.5 TeV的U夸克具有良好的发现潜力，尤其可通过高pT、低速度信号结合探测器中的电荷翻转效应实现高效本底抑制。