[論文レビュー] Fully-heavy tetraquark states and their evidences in the LHC observations

Ming-Sheng liu, Feng-Xiao Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用数 24

ひとこと要約

本稿では、LHCのdi-J/ψスペクトルにおけるX(6600)およびX(6900)構造が、完全に重いテトラクォーク状態として生じると提案している。X(6600)は1S波状態T_{(4c)0^{++}}(6550)、X(6900)は2S波状態T_{(4c)0^{++}}(6957)として解釈され、質量スペクトルと崩壊の非相対論的クォーク模型分析に基づく。モデルはX(6900)の部分幅を約4.7 MeV（di-J/ψ）および約3.2 MeV（J/ψψ(2S)）と予測し、分岐比は1.5である。また、η_cη_cやχ_{c0}χ_{c0}などのチャネルにおける追加の信号も示唆している。さらに、di-ΥおよびΥΥ(2S)チャネルにおいて19.7–19.8 GeVの観測可能なb̄b̄b̄b̄状態の予測も行っている。

ABSTRACT

Stimulated by the exciting progress on the observations of the fully-charmed tetraquarks at LHC, we carry out a combined analysis of the mass spectra and fall-apart decays of the $1S$-, $2S$-, and $1P$-wave $cc\bar{c}\bar{c}$ states in a nonrelativistic quark model (NRQM). It is found that the $X(6600)$ structure observed in the di-$J/ψ$ invariant mass spectrum can be explained by the $1S$-wave state $T_{(4c)0^{++}}(6550)$. This structure may also bear some feed-down effects from the higher $2S$ and/or $1P$ tetraquark states. The $X(6900)$ structure observed in both the di-$J/ψ$ and $J/ψψ(2S)$ channels can be naturally explained by the $2S$-wave state $T_{(4c)0^{++}}(6957)$. The small shoulder structure around $6.2-6.4$ GeV observed at CMS and ATLAS may be due to the feed-down effects from some $1P$-wave states with $C=-1$ and/or some $2S$-wave states with $J^{PC}=0^{++}$. Other decay channels are implied in such a scenario and they can be investigated by future experimental analyses. Considering the large discovery potential at LHC, we also present predictions for the $bb\bar{b}\bar{b}$ states which can be searched for in the future.

研究の動機と目的

• LHCで観測されたdi-J/ψの不変質量スペクトルにおけるX(6600)およびX(6900)構造の性質を特定すること。
• これらの構造が分子状態ではなく、コンパクトな完全に重いテトラクォーク状態に対応するかどうかを特定すること。
• 非相対論的クォーク模型を用いて、1S-、2S-、および1P波状態のcc̄c̄c̄およびbb̄b̄b̄テトラクォーク状態の質量スペクトルと崩壊特性を予測すること。
• 今後のLHC実験における完全にボトムのテトラクォーク状態の観測可能性を検討すること。

提案手法

• ジャコビ座標を用いた非相対論的クォーク模型（NRQM）を用いて、1S-、2S-、および1P波状態のcc̄c̄c̄およびbb̄b̄b̄状態の質量スペクトルを計算する。
• 色配置（6̄6および33̄）間の混合を混合行列を用いて記述し、物理的固有状態を決定する。
• di-J/ψ、J/ψψ(2S)、η_cη_c、χ_{c0}χ_{c0}、J/ψh_cなどの最終状態への崩壊幅を計算する。
• 理論的予測をLHCデータと比較し、特にdi-J/ψおよびJ/ψψ(2S)チャネルにおけるX(6600)およびX(6900)構造に注目する。
• bb̄b̄b̄状態にモデルを拡張し、di-ΥおよびΥΥ(2S)最終状態における観測可能な信号を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 di-J/ψスペクトルにおけるX(6600)構造は、1S波状態の完全に重いテトラクォーク状態によって説明可能か？
• RQ2 X(6900)構造は、量子数0^{++}の2S波状態として最も適切に記述できるか？
• RQ3 予測されたT_{(4c)0^{++}}(6957)状態の主要な崩壊チャネルは何か？ それらは観測されたX(6900)の部分幅と一致するか？
• RQ4 質量の高い1P波および2S波状態からのフィードダウン寄与は、6.2–6.4 GeV付近の小さなショルダー構造を説明できるか？
• RQ5 LHCにおいてdi-ΥおよびΥΥ(2S)最終状態における完全にボトムのテトラクォーク状態の観測は、今後可能か？

主な発見

• X(6600)構造は、予測質量6550 MeVの1S波状態T_{(4c)0^{++}}(6550)によって最も適切に説明される。
• X(6900)構造は、予測質量6957 MeVで部分幅が約4.7 MeV（di-J/ψ）および約3.2 MeV（J/ψψ(2S)）の2S波状態T_{(4c)0^{++}}(6957)によって最も一貫して説明される。
• T_{(4c)0^{++}}(6957)の部分幅比Γ_{J/ψJ/ψ}/Γ_{J/ψψ(2S)}は約1.5と予測され、実験的に検証可能である。
• 2S状態T_{(4c)0^{++}}(7018)は、部分幅約1.87 MeVでdi-J/ψ最終状態に寄与し、X(6900)にフィードダウン効果が及ぶ可能性を示唆している。
• T_{(4c)0^{++}}(6455)は予測質量6455 MeVで、フィードダウンまたは干渉によってX(6600)ピークに寄与する可能性がある。
• 完全にボトムのテトラクォーク状態において、2S状態T_{(4b)0^{++}}(19767)およびT_{(4b)0^{++}}(19811)は、di-ΥおよびΥΥ(2S)最終状態への大きな崩壊幅を持つと予測され、今後のLHC探索において有望である。