[論文レビュー] Evidence for a charged charmonium-like $Z_c^+$ from QCD

Saša Prelovšek, C. B. Lang+2 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2014

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 28被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、最初の第一原理格子QCD計算により、量子数 $I^G(J^{PC})=1^+(1^{+-})$ を持つ電荷を帯びたチャーミオン様 $Z_c^+$ 状態が $4.16 \pm 0.03 \pm 0.16~\text{GeV}$ の質量で存在することを確認した。この状態の出現は、ダイクォーク-アントダイクォーク生成演算子を含めた場合にのみ見られ、実験的に観測された $Z_c^+(4020)/Z_c^+(4025)$ または $Z_c^+(4200)$ 状態との可能性のある関連性を示唆している。

ABSTRACT

Recently experimentalists have discovered a new state of matter in form of charged charmonium-like hadrons $Z_c^+$. Unlike conventional hadrons, these contain at least two valence quarks and two antiquarks ($\bar cc\bar d u$). We address the question whether the existence of such a new form of hadrons is supported by QCD via a first-principle calculation using Lattice QCD. We find a candidate for the charged charmonium-like state $Z_c^{+}$ with quantum numbers $I^G(J^{PC})=1^+(1^{+-})$. This is the first ab-initio QCD calculation establishing such a hadron. The state is found at mass $m=4.16\pm 0.03\pm 0.16\pm {\cal O}(\Gamma_{Z_c})~$GeV and could be related to the recently discovered $Z_c^+(4020)/Z_c^+(4025)$ or $Z_c^+(4200)$. The $Z_c^+$ candidate emerges only when diquark-antidiquark creation operators are included in the simulation. The resulting overlap of the established $Z_c^+$ to our basis of creation operators ${\cal O}_j$ may shed light on its nature.

研究の動機と目的

• 量子色力学（QCD）の第一原理的計算を通じて、$Z_c^+$ などの電荷を帯びたチャーミオン様ハドロンの存在が支持されるかどうかを調査すること。
• 物性論的仮定なしに、四クォーク状態（$\bar{c}c\bar{d}u$）がQCDのダイナミクスからどのように生成されるかを特定すること。
• 格子QCDシミュレーションを用いて、候補となる $Z_c^+$ 状態の量子数と質量を特定すること。
• ダイクォーク-アントダイクォーク生成演算子が $Z_c^+$ 状態の形成に果たす役割を検討すること。

提案手法

• 四クォークフォック成分を有するハドロン状態のスペクトルを計算するために、非摂動的アプローチを用いた格子QCDシミュレーションを実施。
• ダイクォーク-アントダイクォークインターポーラー場を含む生成演算子の基底を用い、$Z_c^+$ 状態に効果的にカップリングする。
• 相関行列に対するバリエーショナル解析を実行し、最低エネルギー状態およびその量子数を抽出。
• ルシュナー法とエネルギー差の分析を用いて、状態の量子数 $I^G(J^{PC})=1^+(1^{+-})$ を決定。
• 統計誤差、有限体積効果、および $\mathcal{O}(\Gamma_{Z_c})$ 幅補正を含む系の不確かさを考慮。
• 抽出された状態と生成演算子基底との重なりを分析し、その内部構造とダイナミクスを推察。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QCD、特に第一原理的格子計算を通じて、量子数 $I^G(J^{PC})=1^+(1^{+-})$ を持つ電荷を帯びたチャーミオン様状態 $Z_c^+$ の存在が支持されるか？
• RQ2 第一原理的QCDシミュレーションが予測する $Z_c^+$ 状態の質量は何か？
• RQ3 $Z_c^+$ 状態は、ダイクォーク-アントダイクォーク生成演算子が含められた場合にのみ生成されるか？
• RQ4 $Z_c^+$ 状態と生成演算子基底との重なりは、その内部構造にどのように情報を与えるか？
• RQ5 格子QCDによる $Z_c^+$ 状態の予測は、実験的に観測された $Z_c^+(4020)/Z_c^+(4025)$ または $Z_c^+(4200)$ 状態と結びつけることができるか？

主な発見

• 格子QCD計算により、量子数 $I^G(J^{PC})=1^+(1^{+-})$ を持つ候補状態が特定され、$Z_c^+$ 状態と整合的である。
• この状態は $4.16 \pm 0.03 \pm 0.16~\text{GeV}$ の質量で発見され、$\mathcal{O}(\Gamma_{Z_c})$ 効果を含む系の不確かさを伴う。
• $Z_c^+$ 状態は、ダイクォーク-アントダイクォーク生成演算子が含められた場合にのみ出現するため、その形成において不可欠な役割を果たしている。
• $Z_c^+$ 状態と生成演算子基底との重なりは、その内部構造とダイナミクスに関する洞察を提供する。
• 計算された質量と量子数は、実験的に観測された $Z_c^+(4020)/Z_c^+(4025)$ または $Z_c^+(4200)$ 状態と整合的である。
• これは、電荷を帯びたチャーミオン様 $Z_c^+$ 状態の存在を確立する最初の第一原理的QCD計算であり、そのQCD内での実在性に対する強い理論的根拠を提供している。