[论文解读] Would a Deeply Bound $b\bar b b\bar b$ Tetraquark Meson be Observed at the LHC?

E. Eichten, Zhen Liu|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 23被引用 10

一句话总结

本文研究了在大型强子对撞机（LHC）上探测一个深束缚的 $b\bar{b}b\bar{b}$ 四价夸克介子的可行性，提出若该态存在于 $\eta_b\eta_b$ 阈值以下，其宽度将极窄，并主要衰变为 $\Upsilon\Upsilon^*$，从而可通过四轻子末态实现探测。研究识别了关键信号特征——角分布、不变质量峰以及前向快度分布，为在LHC数据中识别此类共振态提供了可检验的框架。

ABSTRACT

There has been much theoretical speculation about the existence of a deeply bounded tetra-bottom state. Such a state would not be expected to be more than a GeV below $ΥΥ$ threshold. If such a state exists below the $η_bη_b$ threshold it would be narrow, as Zweig allowed strong decays are kinematically forbidden. Given the observation of $Υ$ pair production at CMS, such a state with a large branching fraction into $ΥΥ^*$ is likely discoverable at the LHC. The discovery mode is similar to the SM Higgs decaying into four leptons through the $Z Z^*$ channel. The testable features of both production and the four lepton decays of such a tetra-bottom ground state are presented. The assumptions required for each feature are identified, allowing the application of our results more generally to a resonance decaying into four charged leptons (through the $ΥΥ^*$ channel) in the same mass region.

研究动机与目标

• 评估在假设 $b\bar{b}b\bar{b}$ 四价夸克态位于 $\eta_b\eta_b$ 阈值以下时，其在LHC上的可探测性。
• 识别该态的主要衰变模式，重点关注其通过 $\Upsilon\Upsilon^*$ 衰变为四个带电费米子的通道。
• 建立产生机制的模型，特别是胶子-胶子融合过程，及其对快度和运动学分布的影响。
• 提供可检验的可观测量——角关联、不变质量谱和快度分布，以供实验验证。
• 确立结果对任何在相同质量窗口内通过 $\Upsilon\Upsilon^*$ 衰变为四个带电费米子的共振态均具有普适性。

提出的方法

• 使用非相对论量子色动力学（NRQCD）和势模型描述四底夸克系统，结合微扰QCD与弦势。
• 应用QCD求和规则估算四价夸克态的截面，得到在 $\Lambda = 0.2~\text{GeV}$ 时典型截面量级为 $O(\text{fb})$。
• 建立有效相互作用 $\Lambda \phi \Upsilon^\mu \Upsilon_\mu$，以描述四价夸克态衰变为 $\Upsilon\Upsilon^*$ 的过程。
• 计算由实心与虚线 $\Upsilon$ 态产生的二轻子角分布，作为不变质量的函数，利用自旋与CP性质。
• 分析虚线二轻子不变质量分布，显示由于传播子行为在高不变质量处出现峰值。
• 模拟四价夸克态的快度分布，显示由于胶子部分子分布函数（PDFs）导致前向峰化，峰值快度分别为13 TeV下的3.8和8 TeV下的4.4。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个深束缚的 $b\bar{b}b\bar{b}$ 四价夸克态是否可能存在于 $\eta_b\eta_b$ 阈值以下，并对强衰变保持稳定？
• RQ2 该态的主要衰变通道是什么？是否能导致LHC上具有特征性的四轻子信号？
• RQ3 产生机制（特别是胶子-胶子融合）如何影响四价夸克态的运动学与快度分布？
• RQ4 最终态轻子的哪些角分布与不变质量分布可用于将该共振态与背景相区分？
• RQ5 所预测的信号在多大程度上对任何在相同质量范围内通过 $\Upsilon\Upsilon^*$ 衰变为四轻子的共振态均具有通用性？

主要发现

• 位于 $\eta_b\eta_b$ 阈值以下的 $b\bar{b}b\bar{b}$ 四价夸克态由于 Zweig 允许的强衰变被抑制，其宽度将极窄。
• 主要衰变模式预计为 $\Upsilon(1S)\Upsilon^*(1S)$，且通过类似 $ZZ^*$ 的图式，具有显著的分支比衰变为四个带电费米子。
• 虚线二轻子不变质量分布在高不变质量处出现峰值，与虚线 $\Upsilon$ 态的传播子行为一致。
• $\Upsilon\Upsilon^*$ 衰变平面之间的角分布表现出明显的特征，具体取决于四价夸克态的自旋与CP量子数。
• 通过胶子-胶子融合产生的四价夸克态表现出强烈的前向快度峰化，其峰值快度在13 TeV下为3.8，在8 TeV下为4.4，主要由胶子PDF驱动。
• 在 $\Lambda = 0.2~\text{GeV}$ 时，该态的截面估计量级为 $O(\text{fb})$，在足够亮度下有望在LHC上被探测到。