汤川绑定状态和大型强子对撞机的现象学

文摘

我们目前的现状可能的额外的一代夸克绑定状态。这些包括大型强子对撞机现象学和搜索策略。如果确实存在手性第四代夸克汤川耦合强,暗示目前实验上下界质量,可能会导致形成束缚态。由于近简并4 g群众提出的精密电弱对称测试可以采用“沉重的同位旋”分类可能的频谱。在这些国家中,color-octet isosinglet向量是最容易在大型强子对撞机。发现潜在的和相应的衰减通道都包含在本文。可能光希格斯粒子~125 GeV two-Higgs紧身上衣版本是简要地讨论了。

1。介绍

观察到的宇宙的重子不对称(BAU)不能占在当前粒子物理理论,标准模型(SM)。另一个沉重的手性第四代(4 g)可以提供急需的增强鲍起静(cp破坏的1,2),同时可能提供或被电弱对称性破缺机制的一部分(3- - - - - -7]。后者通过冷凝现象被认为发生因强有力的汤川潜在的吸引力。自从Nambu的洞见对称性破坏以及随后与Jona-Lasinio [8]这个想法一直与我们同在。虽然很老了,在大型强子对撞机(LHC)的出现,这是第一次我们可以实验在本质上是否发生这种情况。在这里我们的目标是评估现状和未来前景的现象学研究汤川束缚态的4 g夸克。

当前下界从直接搜索4 g手性夸克把汤川联轴器远远超出扰乱性的限制。经常被引用的上限使混乱的幺正性侵犯(紫外线)9- - - - - -12为4 g现在已经达到了在大型强子对撞机。因此,如果他们存在,汤川耦合必然是nonperturbative政权。进而最有趣的结果是存在的绑定这些重夸克TeV大规模地区的国家。主要的约束力是汤川的潜力。这个事实本质上解决什么样的国家期望一次适当的量子数,如沉重的“同位旋”,我们定义不久,和旋转。多年来有很多作品在对撞机现象学的额外的一代,例如,通过Holdom [13,14],束缚态的研究是免费和许多更重要的工作处理的不同方面提到的主题并不是由于缺乏空间。

一个重要的信息,帮助划分频谱来自精密电弱测试(15,16]。约束支持一个小质量之间的分裂和,4 g down-type夸克,分别。这附近的简并在重质量极限下,结合他们的英文轻代由各种味道的约束限制小,导致一个近似“同位旋”对称17- - - - - -19]。这个近似对称帮助一个分类绑定状态和识别主要生产和衰变过程。例如,采取的限制,一个可以看到isotriplets必须成对产生;因此在一个现实的情况下,单一生产压制小质量之间的分裂和和/或小型混合轻一代。从这个可以确定最有趣的模式到7和8 TeV LHC运行。希格斯粒子也有沉重的精密测试和现在是排除120至600吉电子伏特能量。最近宣布在5从两个CMS和ATLAS [20.,21)指向更复杂的情况不仅仅是简单的扩展SM的额外的一代。特别是,信号是到目前为止的SM希格斯粒子,如果得到证实,4 g是排除简单的扩展。另一方面,SM中的关于鲍起静问题仍未解决的确认的希格斯粒子的存在。根据这一事实可能的解决方案仍然可以包括额外的生成和/或multi-Higgs场景。最近的一项研究的4 g SM two-Higgs双重线保持一致的精密电弱约束(22与125 GeV希格斯)。

在这个报告中,我们给简要回顾LHC现象学汤川绑定状态的状态主要沿着线(19Enkhbat et al。我们用可用的更新这些分析结果从2012年LHC运行。审查的结构如下。节2,我们审查的描述汤川绑定状态。节3,预期的信号类型和他们的利率。部分4为进一步讨论现象学。节5two-Higgs双重线模型,扩展了。结论部分给出6。

2。汤川束缚态的描述

当前的直接搜索顺序第四代夸克,也就是说,一个额外的一代的左撇子薄弱的紧身上衣和右撇子弱单线态,现在已经达到的下限GeV 95% C。L (23]。他们的存在意味着有一个新的nonperturbative政权汤川的互动。这样一个强大的政权将会导致这些夸克的束缚态。他们是否属于电弱对称性破缺,并绑定的现象学研究州由于强大的汤川势不仅是有趣的而且非常重要的重夸克搜索程序。

出现一个强大的动力可能导致丰富的频谱和现象学作为见证了在量子色的情况下。虽然树层次紫外线与更多的渐近更高能量与红外政权监禁有教训量子色和手性微扰理论。传统上树层次幺正性约束被认为是一些群众的上限可能的额外的重费米子上面一些新的自由度或新的动力学应该出现治疗明显幺正性侵犯。在现实中,这是一个扰乱性的声明,应考虑与一粒盐。有人甚至可以说有效场理论应该能够治愈紫外线是否补充一个正确的框架。尤其是手性微扰理论只有π介子有紫外线光兆电子伏在scalar-isoscalar通道,可以被逆振幅法(24]。这种方法提供了存在的理由——对象。关于紫外线,还有另一个基于大型动力参数扩张,它指向更高的绑定(25周围)~3 TeV的4 g夸克质量。

检查什么绑定状态进而更有趣的人需要一个工具来识别这些州的量子数。4 g频谱的一个重要限制是精密电弱测试要求和大众几乎相等。这种“新同位旋”更容易列出最低的撒谎。与technicolor-like理论,一个预计的对象规模远高于量子色。所以对于每个颜色单线态meson-like州color-octet同行。

在这里,我们使用相同的量子色命名为这些国家并添加下标和分别的单线态和八隅体颜色表示。因此我们指示等矢量状态,,作为,和isoscalars作为,。

在这种规模的量子色耦合subleading汤川联轴器相比。汤川的潜在耦合由来自希格斯和赝标量戈德斯通。希格斯粒子是普遍吸引力的戈德斯通时潜在的关键取决于同位旋和自旋的状态。因为我们正在考虑一个沉重的希格斯粒子场景电弱精度的限制,主要的约束力是戈德斯通的交换。一个可以很快建立以下事实通过检查戈德斯通交换图:而isotriplet标量和isosinglet向量州有吸引力的戈德斯通潜力,isosinglet标量和isotriplet向量有排斥。因此- - -——国家最有可能释放而下界州的年代,的年代。这是截然不同的研究场景相比,鲜艳的色彩,和它的颜色的一个版本——定义预测共振。的彩色介子也许可以因为它可以在大型强子对撞机生产单。

更多量化治疗强约束相对论束缚态仍然具有挑战性。最可靠的是点阵的方法仍在追求。到目前为止最好的估计提供了通过Bethe-Salpeter方法,它有许多缺点。在质量上是一个关键差异相对扩张的Bethe-Salpeter和简单的方法基于变分法。前考虑的贡献正负频率之间的混合解决方案。这已被证明有显著的影响(17如π介子的情况下。在下面我们复习基本本研究的结果和一个基于相对论扩张(18]。

2.1。相对论Bethe-Salpeter方法

这里我们解释相对论的频谱的研究基于Bethe-Salpeter绑定状态方程。年代初,在一系列的论文Jain et al。17]研究了强汤川绑定状态。他们显示使用Bethe-Salpeter方程数值,在强大的汤川耦合极限高度相对论深深束缚态形式。这些都是耦合的积分方程应用的双旋量波函数绑定状态。双旋量振幅交换动量之间的和有两个组件的正面和负面的频率。这些国家之间的混合,不考虑在一个简单的相对论性扩张的方法(18),起着至关重要的作用。在下面我们给积分方程,没有显式形式的内核(Bethe-Salpeter潜力),可以发现在17]。相反我们把它最低的躺状态沿着最大方向,这足以显示了这种方法的重要性。Bethe-Salpeter方程为是由 在沉重的同位旋限制可能状态进行分类明确的同位旋。

在图1Bethe-Salpeter潜力沿着最大方向策划各种选择重夸克的质量。分别是对角线和混合的贡献,和振幅。正如我们可以看到混合的潜力从负频率的解决方案是极大地提高了我们提高质量。这种贡献导致的“崩溃”状态;即束缚态的质量为零,更低的价值时的情况相比,混合被忽略(17]。可以看到类似的功能州。另一方面这主要贡献是排斥的- - -——国家。因为这个原因最低和州是大型强子对撞机的现象学研究的焦点。而少量的质量之间的分裂是必需的和电弱精度的限制,这里的退化情况的简单性。在[17),作者没有讨论color-octet介子的强子对撞机的更有趣的对象像大型强子对撞机。然而,他们计算isosinglet和isotriplet介子质量在不同的形式。其中,Bethe-Salpeter形式主义与正面和负面频率方案导致最强的绑定和一个可以看到它甚至崩溃了~500 GeV。他们的数值解结合能与大规模如图4 g2。

Ishiwata和明智的研究了汤川绑定状态变分法在相对论性扩张的方法(18]。他们的结果是捕获的本质的结合能获得的最小化的潜力。我们在这里展示他们的阴谋在图3,他们选择GeV并得到类似的结果。周围GeV汤川贡献成为主导,结合能显著变化。这种“变态”的行为是由于约束他们把相对论有效扩张。在这里是描述的大小长度约束系统。由此可以得出这样的结论:相对论扩张,尽管受到约束也表明,汤川绑定变得充实。虽然相对扩张导致频谱Bethe-Salpeter方法定性相似,不过它没有考虑的重要贡献负频率的混合解决方案。

在本文中,我们主要回顾[追赶的场景19),重夸克质量在拍摄吗来GeV区间。基于数值分析的耆那教等人结合能被选为GeV。最新绑定4 g夸克质量已经排除了这个范围的下半部分和新的数据集绑定将进一步提高探测更加强大汤川耦合域。记住这一点我们还将涉及更高价值的讨论到~伏特的电压值。

自和不生产的融合,而是Drell-Yan流程薄弱,energywise他们不是有效地生产。可以通过强相互作用产生的成对的或散射(26),这使得它在7和8 TeV低光度。因此,至少在不久的将来,量子数相同,胶子,从大型强子对撞机站是最有趣的对象。它不可能产生的融合自两个无质量粒子向量不能融合到一个巨大的向量粒子根据Landau-Yang定理(27,28]。这使得毁灭的原则生产机制。光谱的顺序,根据(17](实际上并没有考虑八隅体状态)。在下一节中,我们审查的生产和衰减特性介子。

3所示。生产和衰变

在本节中,我们开始对撞机现象学讨论的回顾生产和腐烂。我们得出结论,这是最低的说谎的对象,可以单独生产。由于产生的其他八隅体国家要么是一对同位旋甚至更重的可能的。以下输入参数选择: 的衰减常数定义为 第四代夸克质量(这种简并导致沉重的同位旋), 的质量(这就是结合能的选择), 夸克混合元素,我们假设组合轻代可以忽略不计。原则上如果绑定机制是定量地建立了衰减常数和结合能不再自由参数。如前所述,最可靠的方法是晶格场理论,它还远未达到所需水平在这一点上,因此超出了本报告的范围。迄今为止所做的是定性的估计可能的频谱Bethe-Salpeter和相对论扩张方法无法解决这些数量。因此这些量选择作为现象学研究的自由参数。

3.1。生产

早些时候一直强调,color-octet同位旋单线态矢量状态似乎是有趣的对象为大型强子对撞机中最为突出。是主要由毁灭,如图4而不是胶子融合。后者是禁止由于Landau-Yang定理(27,28),即大规模矢量粒子不能衰减两个无质量粒子。可以显式地检查这个事实。

帕顿的水平,总截面 帕顿光度旋卷 我们得到了强子横截面: 包括生产截面为给出了数据5和6。左边和右边的图5是TeV和TeV分别,而图6是为TeV [19]。这里CTEQ6L [29日部分子分布函数(pdf)是用于重正化和分解尺度。衰变常数参数中定义(2)选择三个不同的值、0.03和0.01的说明。可以直观地认为一个预计更强的约束力大衰减常数。因为一个缺乏一个可靠的数值来探测高度相对系统的工具,在19]作者选择这些值,遇到在量子色介子30.- - - - - -32]。每个人都应该记住,我们正在讨论的系统不是一个封闭QCD-like模型。选择结合能常数为100或200 GeV把它作为一个自由参数。因此fb的生产截面范围从pb级不同的选择。由于更高的胶子密度在LHC可能认为生产通过高阶散射过程可能是重要的。事实证明,在显式计算,范围TeV极小。

另一个问题是是否重介子的生产完全是由开放的生产状态。为此,两人生产截面计算LO和NLO [33,34),结果在同一图所示。NLO计算CTEQ6M pdf (29日使用)。虚线(孵化)带显示的范围不确定性时重正化规模多种多样来在罗(NLO)。从这个我们可以看到,重介子生产可以在同一订单甚至比开放对生产如果衰变常数,因此结合能,尽管更大毁灭是前者而后者发生的机制主要通过在LHC融合。在TeV生产横截面是一个数量级大于低能量和开放的生产运行在更高的增长值相比,生产由于更高的胶子光度。

3.2。衰变

由于较低的撒谎,有可能的介子transition-like衰变。这些通道实验更明显的将是一个明确的信号的绑定状态。在下面,可能的主要渠道有相应的公式。使用这些已经被证明在19),这样一个介子transition-like衰变的确是相当大的,通常占主导地位。衰变的渠道考虑如下。 毁灭衰减:,;,;这些过程的衰减率 在哪里轻夸克口味的数量,增强了这种速度相比和。前两个是逆的生产过程如图7,它只取决于衰变常数参数。另一方面,后者两个进行交换玻色子中描述的数据8(一个)和8 (b),在那里一定进入。对于这种情况总是最后的配置。虽然一样然而动截然不同。类似于生产、停衰变率,树层次计算后35计算),并发现可以忽略不计。

Free-quark衰减:,; 在哪里,给出了在水平出生吗 与或。这些发生在一个重夸克衰变的自由夸克,这需要味道改变通过。有两种截然不同的最终状态配置取决于它的衰变或模式的束缚态。如果是通过衰减,最终衰变产物,如果它是来自衰变。由于这些信号是一样的开放生产的最终状态,搜索可以追求的标准4 g夸克搜索策略(36]。由于结合能,重建重夸克质量会低于生产箱子打开(37]。例如,其中的一个对的衰变情况会大致不变的质量的结合能较低。 介子的转变:;;, 在图所示的介子衰变过渡9给最清晰的实验信号沉重的绑定状态。一个可能性禁止重同位旋对称性。这些腐烂的部分宽度取决于质量的区别以及过渡这些共振的振幅。例如,介子过渡是只允许如果。为,可以衰变为或通过了壳玻色子。然而,部分宽度将极小。汤川绑定状态之前的数值研究表明,结合能确实是很大的如果超出了统一性。出于这个原因,预计以壳过渡是最有可能的,追求的现象学研究[19]。功能出现在速度公式给出如下: 更多细节的利率和近似的推导和简化我们参考读者19)和引用。

3.2.1之上。数值的估计

在数值研究中我们需要选择以下参数:第四和轻一代组合取34狼藉(),衰减常数的介子,质量差别为,为这本质上是结合能。数值研究基于Bethe-Salpeter方程和相对论膨胀变分法提出的结合能值远高于量子色的情况很少GeV。所以我们选择100或200 GeV。以下四个病例检查参数空间大,代表不同的功能:(我)案例1:,GeV,;(2)案例2:,GeV,;(3)案例3:,GeV,;(iv)案例4:,GeV,。案例1可以称为“名义”选择参数。上界的混合的结果(6,7]。选择较小的衰变常数,更强的约束力,和小混合对应例2、3和4分别。由此产生的分支分数以上参数绘制在图的选择10使用表达式(6)- (10)。在案例1中,我们看到,占主导地位的衰变模式的低质量范围和组成夸克衰变(自由夸克)值就越高。在后一种情况下的4 g夸克质量提高率。其他衰变模式的1% ()到10% ()。我们可以看到,是5倍吗由于轻一代又一代的数量。

在例2中,占主导地位的模式与上述相同。较小的衰变常数毁灭模式抑制。

在这两种情况下3和4,占主导地位的模式,由于大质量差异介子和小型混合(抑制自由),分别。

在所有情况下,是比。如果绑定不健壮如Bethe-Salpeter方法表明,衰变成为壳牌因此次属音。在这种情况下,特约频道将成为主导。如果频谱也考试模式在一个更紧密的数值可能成为重要的特别是在低质量范围。总之,占主导地位的通道在考虑所有的选择,自由夸克衰变可以成为大质量范围的竞争如果混合接近其上界。

估计总衰变宽度和如图11。为最多20 GeV,上面TeV考虑它的质量,使其成为一个狭窄的共振。

3.2.2。的衰败

衰减率的图10,我们看到,主要渠道之一,如果不是最主要的。因此,对于完整的现象学的讨论,一个必须解决的衰败进一步。在剩下的纸我们假设。如此高的质量将是Bethe-Salpeter提出的方法(17]。因此每个人都应该记住,必须进一步检查其有效性通过网格计算(39]。

要注意的第一件事就是禁止通过角动量求和规则。此外,同位旋禁止湮灭算通过交流,而声道输出通过禁止它的颜色和同位旋。这使得只有两种可能性:自由夸克衰变和毁灭最终状态,是横向的。的衰减率是由 在哪里是衰减常数规范化的质量。衰变率是绘制在图12四种不同的情况下,我们认为早些时候。在例1到3混合很大,自由夸克衰变信道是占主导地位的。对于第二种情况,抑制更多的是因为小衰减常数。另一方面,例4占支配地位的衰落,因为自由夸克衰变所抑制的选择小的混合。

4所示。现象学的讨论

搜索一个特约Tevatron共振,大型强子对撞机将约束理论与TeV范围粒子。的生产截面时报特约分支TeV绘制在图8点分数13四个病例以及特约搜索在CMS (38)与 数据TeV。这是保守估计,因为不同数据,没有削减用于特约率。开放的对产品通过融合也计算在LO和NLO,橙色和红色圈所示,分别。虽然是通过,这是相同的订单,甚至比开放的生产。我们看到所有的利率至少一个数量级低于CMS约束。

因为是占主导地位的衰变它是必要的检查在LHC衰变模式得到最终的信号。观察到禁止通过角动量求和规则。的估计率在图显示,在情况下1 - 3主要通过自由夸克衰变通道。同位旋的预计,有一个比,下标意味着是软的。最终状态配置,,分别为7和6/8-jet系统。相关的软可以用作标记。额外的软,信号似乎比开放生产更加复杂。时出现困难,推动产品可以利用分析系统使用他们的喷气子结构。如果可以构造的总质量足够好的解决系统构成了一个狭窄的共振可能给信号和。

这使我们的讨论情况4,对哪一个作为占主导地位的模式与最后的信号。(和)。这个信号是非常独特和高度可检测在大型强子对撞机GeV胶子和提高用软。整个系统也给了一个狭窄的共振。

的通道是最多百分之一的病例。虽然利率很低,由于光子探测效率高可以搜索,进一步详细研究。最后,交流渠道和,而出现类似于单身生产,相关的提振(高)可以给不同的共振信号。

我们结束讨论现象学强调差异相比,鲜艳的色彩(TC)模型。第一个区别是彩色物体的存在。通用的“行走”TC模型(40),technipion往往是更接近technirho这样的质量,缺席,而(附近)的简并度和与也经常调用。这些technimesons通常的签名,,。因此,不仅谱相当different-absence和mesons-the衰变签名也在强烈的对比。由于汤川强耦合束缚态,遵循简单的从新的沉重的手性夸克的存在没有假设新动态,应该从鲜艳的色彩很容易被认出来。的Yukawa-bound几乎无穷的重油介子也截然不同的量子色绑定状态。不仅有缺席的情况下(融合可能)和介子型,而且他们有更大的结合能和规模要小得多。这不仅带来的是一个强耦合常数,而且通过旋相关戈德斯通耦合。

5。扩展Two-Higgs紧身上衣

的发现~125 GeV玻色子,一个简单的4 g SM似乎高不可攀的延伸,如果信号确实证实了SM希格斯粒子。如果一个额外的一代确实存在至少SM希格斯部门必须进一步扩展。事实上最近的一项分析表明,4 g的精密测试当前约束两个希格斯粒子是允许的,如果轻希格斯确实是125 GeV [22]。在下面,我们将讨论如何一个额外的新紧身上衣希格斯粒子影响我们认为到目前为止的现象学。

为简单起见,我们采取的ⅱ型two-Higgs紧身上衣(2 hd)模型,在哪里——费米子(下)类型两只。我们还将简化极限,插图,其中和。在这里是混合角。在光希格斯粒子的存在,新衰减通道开放(i)从自由夸克与希格斯粒子衰变最终状态,(ii),(3)通过希格斯粒子交换类似于湮没前面讨论交流。这些都是如下。 自由夸克衰变: : 在哪里是和为。对数字取GeV所显示(22]。请注意,CP-odd以来缺席没有违反味道在ⅱ型2 hd模型树级别。循环诱导在低振幅很小。 毁灭,通过希格斯交流: 与前面的情况下,没有交换的贡献自不打破味道在ⅱ型情况下树层次和低吗量子效应是可忽略的。 毁灭与希格斯在最后的状态和。在ⅱ型2高清情况和,光希格斯的利率渠道 在哪里和是这通道的衰减常数等于什么。我们把GeV。在简化极限我们正在考虑这一点是抑制。和有相同的量子数,除了质量使系统甚至CP。自不混合在ⅱ型情况下,它有明确的奇数自然。因此也没有。有人可能会认为任何的可能成为重要的如果运动学允许。这些都是同样的原因缺席从纯粹是横向。

利率渠道和绘制在图14。在ⅱ型情况下,天下没有免费的夸克和中立的希格斯粒子最终状态。因为我们发现和通过带电的希格斯粒子交换非常小的我们不把它们。自由夸克衰变与希格斯粒子存在,如果指控。的顺序相同的利率自由夸克衰变了(9),预计由于重夸克衰变速率由戈德斯通主导组件。ⅱ型2高清扩展,通过带电希格斯粒子湮没交易所也在相同的顺序交换。因此他们没有定性和一个非常小的定量影响的讨论信号。

的衰变和可能大分支比率高吗质量范围。为简化讨论,达到最多~20%。因此我们的讨论保持强劲。寻找这个通道出现具有挑战性。如果有足够多的生产和质量足够高;提高了希格斯粒子分析(41可以使用)。

在本节中,我们采取了II型2 hd模型作为一个简单的插图显示主要的现象学预期在LHC的绑定状态可能没有截然不同。需要更彻底的数值研究澄清是否这个或任何其他的变种2 hd模型进而可行。

6。结论和展望

在这个简短的纸我们重新审视当前的现象学研究可能的束缚态的4 g夸克。直接搜索限制现在已经达到了使混乱的统一性使他们的汤川联轴器在强耦合机制,其中一个预计meson-like绑定状态~TeV范围。Bethe-Salpeter和相对论扩张现有的研究方法使一个在LHC研究他们的现象学。

电弱约束顶部和精密测试bottom-like 4 g夸克质量近简并导致”沉重的同位旋“对称性,进而可用于光谱进行分类。其中,一个发现color-octet isosinglet向量共振是最容易产生的一个早期的大型强子对撞机通过吗毁灭。所需的参数研究介子质量分裂,4 g夸克混合轻一代又一代,衰变常数,和4 g夸克质量。

可能最终衰变产物具有丰富的现象学与挑战性的信号。的主要衰减通道的情况下被认为是其次是自由夸克衰变在束缚态。有四个不同的代表选择参数的率进行了研究。在这些情况下4小的混合提供了一个清晰的信号在LHC可能束缚态,整个过程链与高度提高和用一个软最终状态。其他情况下,有足够的总能量分辨率,也可以提供一个共振信号。

与~125 GeV对象在LHC是最有可能找到希格斯粒子,如果证明,简单的4 g扩展不太可能是可行的。根据这一点,我们还简要探讨这个现象是如何影响额外的希格斯粒子的存在。最重要的变化是开辟新的大毁灭的形式衰减通道和。数值的估计这些利率表明4模式仍然是领先的通道,使结论单一希格斯健壮。另一个很容易被签名特约成为主导。虽然这是不太可能考虑Bethe-Salpeter研究表明什么,这可以最终通过晶格的努力来解决。

我们回顾了签名Yukawa-bound沉重介子在1到2 TeV的范围内。我们还简要讨论了两个希格斯紧身上衣。什么是覆盖在这个检查在本质上是定性的。随着大型强子对撞机能量增加,和更高的亮度,它可以发现新的手性夸克幺正性上面绑定,新的不同寻常的绑定状态。可以调查真正nonperturbative政权,这些结果只提供会发生什么。

确认

作者感谢k . Ishiwata和m . b .明智的让他使用他们的结果。作者也感谢h . Yokoya帮助更新计算。这项工作是由国家安全委员会100 - 2811 m - 002 - 061和国家安全委员会100 - 2119 m - 002 - 001。

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