[論文レビュー] Evidence that the LHCb ${P_c}$ states are hadronic molecules and the existence of a narrow $P_c(4380)$

Meng-Lin Du, J. A. Oller+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2019

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、LHCbの$P_c$状態が、重味スピン対称性によって制約された一パイオン交換および短距離相互作用を含む連成チャネル形式を用いて、$\Sigma_c^{(*)}\bar{D}^{(*)}$状態から形成されるハドロン分子であると提案している。以前に確認されていなかった幅が狭い$P_c(4380)$状態が同定され、観測されたすべての$P_c$状態が説明され、今後の発見を予測する3つの欠落している$\Sigma_c^*\bar{D}^*$状態が示されている。

ABSTRACT

Three hidden-charm pentaquark $P_c$ states, $P_c(4312)$, $P_c(4440)$, and $P_c(4457)$ were revealed in the $\Lambda_b^0 o J/\psi p K^-$ process measured by LHCb using both run I and run II data. Their nature is under lively discussion, and their quantum numbers have not been determined. We analyze the $J/\psi p$ invariant mass distributions under the assumption that the crossed-channel effects provide a smooth background. For the first time, such an analysis is performed employing a coupled-channel formalism with the scattering potential involving both one-pion exchange as well as short-range operators constrained by heavy quark spin symmetry. We find that the data can be well described in the hadronic molecular picture, which predicts seven $\Sigma_c^{(*)}\bar D^{(*)}$ molecular states in two spin multiplets, such that the $P_c(4312)$ is mainly a $\Sigma_c\bar D$ bound state with $J^P=1/2^-$, while $P_c(4440)$ and $P_c(4457)$ are $\Sigma_c\bar D^*$ bound states with quantum numbers $3/2^-$ and $1/2^-$, respectively. We also show that there is evidence for a narrow $\Sigma_c^*\bar D$ bound state in the data which we call $P_c(4380)$, different from the broad one reported by LHCb in 2015. With this state included, all predicted $\Sigma_c \bar D$, $\Sigma_c^* \bar D$, and $\Sigma_c \bar D^*$ hadronic molecules are seen in the data, while the missing three $\Sigma_c^*\bar D^*$ states are expected to be found in future runs of the LHC or in photoproduction experiments.

研究の動機と目的

• LHCbの$\Lambda_b^0 \to J/\psi p K^-$崩壊において観測された$P_c$状態の分子的性質を特定すること。
• $P_c(4312)$、$P_c(4440)$、$P_c(4457)$状態の量子数および内部構造を解明すること。
• データが他のExotic Hadronモデルと比較してハドロン分子解釈を支持するかどうかを調査すること。
• 特に$\Sigma_c^*\bar{D}^*$チャンネルにおいて、分子モデルが予測する欠落している状態が存在するかどうかを同定すること。
• 単一の連成チャネルフレームワーク内で、観測されたすべての$P_c$状態を一貫して記述すること。

提案手法

• LHCbの$\Lambda_b^0 \to J/\psi p K^-$崩壊における$J/\psi p$不変質量分布を記述するための連成チャネル形式を用いる。
• 散乱ポテンシャルに一パイオン交換および短距離相互作用を含め、重味スピン対称性によって制約する。
• $P_c$状態を$\Sigma_c^{(*)}\bar{D}^{(*)}$メソン・バリオン系の結合状態としてモデル化する。
• 交差チャネル効果を説明するための滑らかな背景を用い、分子状態からの共鳴的寄与を分離する。
• $J/\psi p$不変質量スペクトルのグローバルフィットを実行し、量子数および結合エネルギーを抽出する。
• $\Sigma_c^{(*)}\bar{D}^{(*)}$分子状態として7つの状態が2つのスピン多重項に予測される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $P_c(4312)$、$P_c(4440)$、$P_c(4457)$状態はハドロン分子解釈と整合性があるか？
• RQ2 分子モデル内での$P_c(4312)$、$P_c(4440)$、$P_c(4457)$状態の量子数（$J^P$）は何か？
• RQ3 2015年に報告された広い$P_c(4380)$とは別に、狭い$P_c(4380)$状態の証拠はデータに存在するか？
• RQ4 観測された$P_c$状態は、$\Sigma_c^{(*)}\bar{D}^{(*)}$分子状態をすべて網羅しているのか、それとも追加の状態が予想されるのか？
• RQ5 一パイオン交換および重味スピン対称性の制約を含む連成チャネル形式は、観測されたすべての$P_c$共鳴状態を一貫して説明できるか？

主な発見

• $P_c(4312)$状態は、量子数$J^P = 1/2^-$を有する$\Sigma_c\bar{D}$結合状態として主に構成されており、分子モデルと整合的である。
• $P_c(4440)$および$P_c(4457)$状態は、それぞれ$J^P = 3/2^-$および$1/2^-$を有する$\Sigma_c\bar{D}^*$結合状態として同定された。
• 幅が狭い$P_c(4380)$状態がデータに存在し、2015年に報告された広い$P_c(4380)$とは別個のものであり、$\Sigma_c^*\bar{D}$分子状態に対応する。
• 予測された$\Sigma_c\bar{D}$、$\Sigma_c^*\bar{D}$、$\Sigma_c\bar{D}^*$分子状態はすべてデータで観測されており、分子像が裏付けられている。
• 3つの欠落している$\Sigma_c^*\bar{D}^*$分子状態は予測され、今後のLHCランまたは光生成実験で発見されることが期待される。
• 一パイオン交換および重味スピン対称性の制約を含む連成チャネル形式は、$J/\psi p$不変質量スペクトルを一貫的かつ正確に記述できる。