[论文解读] Stable Sexaquark

Glennys R. Farrar|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

本文提出一种稳定、中性、B=2、S=-2的标量六价子（S），由uuddss夸克组成，质量≤2 GeV，若m_S ≤ 1877.6 MeV则可绝对稳定。S是可行的暗物质候选者，本文提出两种实验策略——在Upsilon衰变中寻找B=±2、S=∓2的末态信号，以及在LHC束管事件中探测S湮灭级联过程——以发现该粒子，并利用其独特的衰变模式与能量动量守恒实现质量测量。

ABSTRACT

It is proposed that the neutral, B=2, flavor singlet sexaquark (S) composed of uuddss quarks, has mass m_S

研究动机与目标

• 提出一种质量≤2 GeV的稳定、味单态、自旋0的六价子（S），由uuddss夸克组成，若m_S ≤ 2(m_p + m_e)则可绝对稳定。
• 论证此类稳定S与量子色动力学（QCD）一致，且因其波函数高度紧凑、低能碰撞中产生截面微弱，故此前未被探测到。
• 提出两种互补的实验策略——Upsilon衰变中的搜索与LHC束管湮灭探测——以探测S或其反粒子，克服以往探测挑战。
• 证明可通过Upsilon衰变中的缺失质量与LHC湮灭级联过程中的能量动量守恒来测量S的质量。
• 表明S是可行的暗物质候选者，其宇宙丰度与观测到的暗物质密度一致，且与重子物质的相互作用极弱。

提出的方法

• 提出S为标量、味单态、宇称不变的玻色子，电荷Q=0，重子数B=2，奇异数S=-2，其空间波函数完全对称，可实现深度束缚。
• 利用重子数守恒论证：若m_S ≤ 1877.6 MeV，则S绝对稳定；若m_S < 2054.5 MeV，则其寿命可超过宇宙年龄。
• 借助格点QCD（Beane等，2013）的间接证据及H-双子态信号的缺失，推断m_S ≤ 2 GeV。
• 提出在Upsilon衰变中搜索ΔB=±2、ΔS=∓2的末态，如SΛ̄Λ̄或S̄ΛΛ，利用缺失质量重建技术。
• 提出在LHC中搜索S̄在束管或探测器中的湮灭事件，通过识别涉及Ξ̄、Λ̄和π介子的特征衰变级联来分离信号。
• 利用重建的湮灭事件中的能量动量守恒关系，推导S̄的三动量与动能，实现质量测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一种深度束缚的uuddss六价子态，其质量≤2 GeV，且与QCD及重子数守恒一致？
• RQ2 尽管该S具有潜在稳定性，为何其在以往加速器与非加速器实验中仍未能被探测到？
• RQ3 鉴于其弱产生截面与紧凑波函数，可在Upsilon衰变与LHC碰撞中利用何种实验信号探测S或S̄？
• RQ4 如何通过Upsilon与LHC事件中的独态衰变级联过程测量S的质量？
• RQ5 S是否为可行的暗物质候选者？其宇宙丰度是否与观测到的暗物质密度一致？

主要发现

• 若m_S ≤ 1877.6 MeV（即两倍质子-电子质量之和），S因重子数守恒而被提议为绝对稳定。
• 若m_S < 2054.5 MeV，则S的寿命可超过宇宙年龄，对应于双弱衰变至p + e + Λ的阈值。
• 现有Upsilon衰变数据未发现窄宽的Λpπ⁻共振态，对m_S ≳ 2 GeV施加了强限制，使子2 GeV以下范围仍待探索。
• LHC数据中可能包含多达10⁵个可重建的S̄湮灭级联事件，尤其在专用触发条件下，可实现质量测量。
• S的质量可通过Upsilon衰变中的缺失质量测量，以及LHC S̄湮灭事件中的能量动量守恒关系推导。
• S是强有力的暗物质候选者，其在夸克-胶子等离子体中通过Boltzmann方程计算的宇宙丰度与观测到的Ω_DM/Ω_b一致。