[論文レビュー] Lattice QCD review of charmonium and open-charm spectroscopy

Saša Prelovšek|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2013

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 22被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、charmおよび開放charm状態の格子QCDシミュレーションをレビューし、$X(3872)$、$D_{s0}^{*}(2317)$、$D_{0}^{*}(2400)$ などの近閾値状態について、初めての厳密な取り扱いを提示している。また、$Z_{c}^{+}(3900)$、$X(4140)$、$cc\overline{d}\overline{u}$ テトラクォーカーといったExotic状態の探索も行っている。$X(3872)$は、$\overline{c}c$ および $D\overline{D}^{*}$ の両方の補間場と大きな重なりを示しており、分子的構造を示唆している。一方、シミュレーションされた中間子質量での$cc\overline{d}\overline{u}$ には束縛状態は見つからなかった。

ABSTRACT

Lattice QCD results on the spectroscopy of charmonium(like) states and open charm mesons are reviewed. Near-threshold states X(3872) and D_{s0}^*(2317) were treated rigorously for the first time and the searches for Z_c^+(3900), X(4140) and $cc\bar u\bar d$ were carried out. The first simulations of the resonances with charm quarks have been performed, including the determination of their strong decay widths. Spectroscopy of highly excited charmed, charmonium and hybrid states has been calculated.

研究の動機と目的

• charmおよび開放charmスペクトルに関する格子QCD結果の包括的レビューを提供し、開放charm閾値付近またはそれ以上の状態に焦点を当てる。
• 単一のハドロン近似を越えて、$X(3872)$、$D_{0}^{*}(2400)$、$D_{1}(2430)$、$D_{s0}^{*}(2317)$ などの近閾値共鳴状態に対する、格子QCDで初めての厳密な取り扱いを提示する。
• 散乱および相関関数解析を通じて、$Z_{c}^{+}(3900)$、$X(4140)$、$cc\overline{d}\overline{u}$ テトラクォーカーを含むExotic状態の存在を調査する。
• $D\pi$、$DK$、$J/\psi\phi$ システムの散乱位相シフトおよび散乱長を抽出し、共鳴構造および低エネルギー相互作用を調べる。
• テトラクォーク形成の文脈において、$\overline{c}c$ ポテンシャルおよび $DD^{*}$ 相互作用の温度依存性を研究する。

提案手法

• 中間子質量が約400 MeVおよび266 MeVの $N_f=2+1$ 異方性アンサンブルを用いた格子QCDシミュレーションにより、時間相関関数からエネルギー準位を計算する。
• $P=0$ の条件下で $m = \sqrt{E_n^2 - P^2}$ を用いてハドロン質量をエネルギー準位 $E_n$ から抽出し、連続極限（$a \to 0$）および無限大体積（$L \to \infty$）への外挿を行う。
• 複数の補間場（$\overline{q}q$、$\overline{q}F_{\mu\nu}q$（ハイブリッド用）、$D\overline{D}^{*}$）の使用により、状態の特定と重なりの評価を行う。
• HALQCD時間依存手法を用いて、二重charmチャネルにおける $DD^{*}$ ポテンシャルおよび散乱位相シフトを抽出する。
• L"uscherの方法およびユニタリゼーションされたChPTフィットを用いて、多チャンネル相関関数から散乱長および位相シフトを抽出する。
• $J/\psi\phi$ および $D\overline{D}^{*}$ 散乱の $I=0$ および $I=1$ チャネルを分析し、$X(4140)$ や $Z_{c}^{+}(3900)$ のような共鳴状態の探索を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $X(3872)$ 状態は、$D\overline{D}^{*}$ 補間場との重なりが顕著であり、分子的構造を示唆するか？
• RQ2 $D_{s0}^{*}(2317)$ 状態は、格子QCDにおいて $\overline{c}s$ 分子として、または通常の状態として一貫して記述可能か？
• RQ3 $DD^{*}$ ポテンシャルおよび散乱位相シフトから、$cc\overline{d}\overline{u}$ テトラクォークチャネルに束縛状態の証拠があるか？
• RQ4 $J^{PC}=1^{+-}$、$I=1$ チャネルにおける $J/\psi\pi^{+}$ および $D\overline{D}^{*}$ 散乱において、$Z_{c}^{+}(3900)$ 状態が共鳴として現れるか？
• RQ5 $J/\psi\phi$ システムにおける $X(4140)$ 構造の性質は何か？ これは真の共鳴であるか、閾値効果に起因するものか？

主な発見

• $D\overline{D}^{*}$ 散乱における $X(3872)$ の散乱長は $a_0 = -1.7 \pm 0.4$ fm と大きく負であり、浅い束縛状態または分子的構造を示唆している。
• $D_{s0}^{*}(2317)$ 状態は、格子シミュレーションで $2315^{+18}_{-28}$ MeV の質量で一貫して再現されており、実験と整合しており、ユニタリゼーションされたChPTにより極の位置が予測されている。
• $cc\overline{d}\overline{u}$ テトラクォークには束縛状態は見つからず、$DD^{*}$ 散乱位相シフトが零運動量で $\pi$ から始めないため、$m_\pi \approx 266$ MeV でのシミュレーションでは束縛状態が存在しないと示唆されている。
• $J^{PC}=1^{+-}$、$I=1$ チャネルでは $Z_{c}^{+}(3900)$ 状態は観測されず、$D\overline{D}^{*}$ および $J/\psi\pi$ 散乱状態のみが得られた。これは量子数が誤りであるか、補間場カバレッジが不十分である可能性を示唆している。
• $J/\psi\phi$ s波およびp波位相シフト解析では $X(4140)$ 構造は支持されず、共鳴構造は観測されなかった。これは、閾値のくびれ（cusp）であるか、真の共鳴ではない可能性を示唆している。
• 有限温度における $\overline{c}c$ ポテンシャルは、温度が上昇するにつれて距離が大きい領域で平坦化し、charm結合系におけるスクリーニング効果を示している。