[论文解读] Towards Partial Compositeness on the Lattice: Baryons with Fermions in Multiple Representations

Thomas DeGrand, Daniel C. Hackett+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 5

一句话总结

该晶格研究调查了具有基础表示和六重态表示的费米子的 SU(4) 规范理论，引入了由一个六重态和两个基础夸克组成的“奇美拉重子”。通过在动态基础费米子上使用冻结的价夸克六重态，研究发现当六重态夸克质量较轻时，$Σ$ 态成为最轻的重子，证实了 SU(4) 夸克模型的预测，并展示了在 $m_q/m_Q \approx 1/2$ 处发生能级交叉的倒置多重态，这对复合 Higgs 模型中顶夸克的部分复合性具有重要意义。

ABSTRACT

We describe our recent lattice study of SU(4) gauge theory with fermions in the fundamental and sextet representations. In this theory, a new type of baryon consists of quarks in both representations. The spectrum of these "chimera baryons" has a straightforward interpretation in terms of a non-relativistic quark model based on SU(4). Our results are particularly relevant to composite Higgs models in which the top quark is partially composite.

研究动机与目标

• 研究具有多种表示的 SU(4) 规范理论中的重子谱，特别是由基础和六重态表示夸克组成的重子的存在与性质。
• 在晶格 QCD 框架下检验非相对论性 SU(4) 夸克模型对重子质量劈裂的预测。
• 评估奇美拉重子（由一个六重态和两个基础费米子组成）是否可能成为谱中质量最轻的重子，这是其在复合 Higgs 模型中作为顶夸克伙伴可行性的关键特征。
• 研究 $(\Lambda - \Sigma)$ 质量劈裂随夸克质量比 $m_q/m_Q$ 的变化行为，特别是能级交叉点的位置。

提出的方法

• 使用先前 SU(4) 研究中获得的规范配置进行晶格模拟，该研究包含两个动力学基础费米子，参数为 $\kappa_4 = 0.1265$，$\beta = 10.2$，体积为 $16^3 \times 32$。
• 通过可调的跳跃参数 $\kappa_6$ 引入价夸克六重态，从而在保持基础夸克质量固定的同时控制六重态夸克质量。
• 计算并分析奇美拉重子（$\Sigma^*$，$\Sigma$，$\Lambda$）的相关函数以研究其能谱结构，非简并态由不对称形状表明。
• 利用旋转子模型的 $J(J+1)$ 劈裂模式，从 $q^4$ 和 $Q^6$ 多重态中最轻的态估计组成夸克质量 $m_q$ 和 $m_Q$。
• 将质量劈裂 $m_\Lambda - m_\Sigma$ 对 $m_q/m_Q$ 绘图，并将交叉点与夸克模型预测的 $1/2$ 进行比较。
• 分析包括基础态、六重态和奇美拉态在内的完整重子谱，以确认其与 SU(4) 夸克模型预期的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有混合费米子表示的 SU(4) 规范理论中，重子谱是否表现出非相对论性 SU(4) 夸克模型所预测的质量劈裂？
• RQ2 在什么 $m_q/m_Q$ 值下，$\Sigma$ 态会比 $\Lambda$ 态更轻，表明存在倒置多重态？
• RQ3 当六重态夸克质量较轻时，由一个六重态和两个基础费米子组成的奇美拉重子是否可能成为谱中最轻的重子？
• RQ4 观测到的质量劈裂是否与色超精细相互作用的预期 $1/m_q^2$ 标度一致，且六重态表示的耦合常数增强？
• RQ5 该晶格谱是否支持奇美拉重子可作为部分复合性模型中可行的顶夸克伙伴这一观点？

主要发现

• 在较大的 $\kappa_6$ 下，$\Sigma$ 态成为最轻的奇美拉重子，对应于轻量六重态夸克质量，证实了 SU(4) 夸克模型预测的倒置多重态。
• $(\Lambda - \Sigma)$ 质量劈裂在 $m_q/m_Q \approx 0.5$ 处穿过零点，与夸克模型预测的 $1/2$ 非常吻合。
• 单表示重子（$q^4$ 和 $Q^6$）的谱表现出类似旋转子的劈裂，与夸克模型一致，验证了组成夸克质量的估计。
• 组成夸克质量估计为 $m_q = m_{q^4}^{\text{ground}}/4$ 和 $m_Q = m_{Q^6}^{\text{ground}}/6$，基于 $J(J+1)$ 劈裂。
• 在较大的 $\kappa_6$ 下，奇美拉重子成为谱中最轻的重子，而基础重子质量保持不变（因 $\kappa_4$ 固定），表明其作为轻量复合伙伴的潜力。
• 相关函数的非对称形状证实了奇美拉态的非简并性，并支持了态识别的有效性。