[論文レビュー] Looking for the hidden-charm pentaquark resonances in $J/ψp$ scattering

Hongxia Huang, Jun He+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2019

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 24

ひとこと要約

本稿では、最近観測された隠れ charm ペンタクォーク $P_c(4312)$, $P_c(4440)$, $P_c(4457)$ が、charm バリオンと反charm メソンからなる分子状態であると提案している。具体的には、それぞれの量子数 $J^P = \frac{1}{2}^-$, $\frac{3}{2}^-$, $\frac{1}{2}^-$ を持つ $\Sigma_c D$, $\Sigma_c D^*$, $\Sigma_c D^*$ の状態である。クォーク脱局在色スクリーニング模型（QDCSM）と共鳴群法（RGM）を用いてバリオン-メソン散乱位相シフトを計算し、それらが分子状態として実現可能であることを示している。さらに、11 GeV 以上の領域に幅が 4 MeV 未塔の狭い隠れ bottom ペンタクォーク $P_b$ が予測され、将来の EIC やジェファーソン・ラボでの実験の有力な標的である可能性が示唆されている。

ABSTRACT

In the framework of quark delocalization color screening model, the three new reported pentaquarks $P_{c}(4312)$, $P_{c}(4440)$, and $P_{c}(4457)$ can be identified as the hidden-charm molecular states $Σ_{c}D$ with $J^{P}=\frac{1}{2}^{-}$, $Σ_{c}D^{*}$ with $J^{P}=\frac{3}{2}^{-}$, and $Σ_{c}D^{*}$ with $J^{P}=\frac{1}{2}^{-}$, in the baryon-meson scattering process, respectively. Besides, the $Σ^{*}_{c}D^{*}$ of both $J^{P}=\frac{1}{2}^{-}$ and $J^{P}=\frac{3}{2}^{-}$ are also possible molecular pentaquarks. Moreover, the calculation is extended to the $P_{c}-$like molecular pentaquarks $P_{b}$. Several states with masses above $11$ GeV and narrow width are obtained. All these heavy pentaquarks are worth searching in the future experiments.

研究の動機と目的

• LHCb が観測した新しい狭い隠れ charm ペンタクォーク $P_c(4312)$, $P_c(4440)$, $P_c(4457)$ を、バリオン-メソン散乱における分子状態として解釈すること。
• 同様の枠組み内で $\Sigma_c^* D^*$ を含む追加の分子ペンタクォークの存在を調査すること。
• 重いフレーバー対称性を用いて、隠れ bottom ペンタクォーク ($P_b$) への分析を拡張すること。
• これらの状態の質量と幅についての定量的予測を提示し、将来の実験的探索を支援すること。

提案手法

• クォーク脱局在色スクリーニング模型（QDCSM）を用いて、バリオンおよびメソンの内部構造を記述し、色スクリーニングおよびクォーク脱局在効果を組み込む。
• 共鳴群法（RGM）を用いて、ガウス基底関数の展開によりバリオン-メソン散乱位相シフトを計算する。
• 多数のクォーク系におけるフェルミ統計を考慮するため、反対称化作用素 $\mathcal{A} = 1 - P_{14} - P_{24} - P_{34}$ を適用する。
• 相対運動波動関数を生成座標 $\boldsymbol{S}_i$ を用いて展開し、係数 $C_i$ と球ベッセル関数 $j_L$ を用いて部分波を記述する。
• 散乱波動関数を $\chi_L(\boldsymbol{R}_{AB}) = \sum_i C_i \tilde{u}_L(R_{AB}, S_i)/R_{AB} Y_{LM}(\hat{\boldsymbol{R}}_{AB})$ として構成し、漸近的挙動が散乱状態と一致するようにする。
• S行列の複素エネルギー平面における極から、束縛状態または共鳴状態に対応する共鳴エネルギー位置と幅を抽出する。これは $J/\psi p$ および $\Upsilon p$ 散乱チャンネルにおける状態に対応する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCb が観測した3つの狭い $P_c$ 状態が、特定の量子数をもつ $\Sigma_c D$, $\Sigma_c D^*$, $\Sigma_c D^*$ の分子状態として同定可能か？
• RQ2 $J^P = \frac{1}{2}^-$ および $\frac{3}{2}^-$ を持つ $\Sigma_c^* D^*$ 分子状態が、散乱過程においても動的に生成されるか？
• RQ3 重いフレーバー対称性を用いて $\Upsilon p$ 散乱チャンネルにおける隠れ bottom ペンタクォーク $P_b$ の性質は何か？
• RQ4 なぜ一部の $\Sigma_c^* D^*$ 状態は $\eta_c p$ および $\Lambda_c D^*$ 散乱では共鳴として現れるが、$J/\psi p$ 散乱では現れないのか？

主な発見

• $P_c(4312)$ 状態は $J^P = \frac{1}{2}^-$ を持つ $\Sigma_c D$ 分子状態として同定され、予測質量は 4311.9 MeV、幅は 9.8 MeV であり、実験データと整合的である。
• $P_c(4440)$ および $P_c(4457)$ 状態は、それぞれ $J^P = \frac{3}{2}^-$ および $\frac{1}{2}^-$ を持つ $\Sigma_c D^*$ 分子状態として解釈され、質量は 4440.3 MeV および 4457.3 MeV、幅は 20.6 MeV および 6.4 MeV である。
• $J^P = \frac{1}{2}^-$ を持つ $\Sigma_c^* D^*$ 状態は、質量 4525.8 MeV、幅 4.0 MeV であると予測され、$\eta_c p$ 散乱では共鳴として現れるが、$J/\psi p$ 散乱では現れない。
• $J^P = \frac{3}{2}^-$ を持つ $\Sigma_c^* D^*$ 状態は、質量 4523.0 MeV、幅 1.0 MeV であると予測され、$J/\psi p$ 散乱ではカスプとして現れるが、$\Lambda_c D^*$ 散乱では共鳴として現れる。
• 隠れ bottom セクターでは、3つの狭い $P_b$ 状態が予測される：$\Sigma_b B$ は 11077.5 MeV（幅 0.1 MeV）、$\Sigma_b B^*$ は 11125.8 MeV（幅 0.8 MeV）、$\Sigma_b^* B^*$ は 11153.5 MeV（幅 3.0 MeV）であり、すべて $IJ^P = \frac{1}{2}\frac{1}{2}^-$ を持つ。
• さらに $IJ^P = \frac{1}{2}\frac{3}{2}^-$ を持つ2つの追加の $P_b$ 状態も予測される：$\Sigma_b B^*$ は 11122.7 MeV（幅 0.2 MeV）、$\Sigma_b^* B$ は 11103.6 MeV（幅 0.8 MeV）であり、狭く、超重いペンタクォークの豊富なスペクトルが存在することが示唆される。