[論文レビュー] Prediction of new charmed and bottom exotic pentaquarks

Dmitri Diakonov|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2010

Quantum many-body systems参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、大$N_c$ QCDおよび平均場解析に基づき、$rac{1}{2}^+$の量子数を持つ$ar{15}$反十5重項において、新しいエキゾチックなcharmおよびbottomのペンタクォークの存在を予測している。これらの状態、$cuud\bar{s}$および$buud\bar{s}$は、軽量（約2420 MeVおよび約5750 MeV）かつ強い崩壊に対して安定であると予測され、LHC、Fermilab、およびBファクトリーで観測可能な、エキゾチックバリオンの新たなクラスを提供する。

ABSTRACT

Baryons of the type Qqqqq-bar (where Q = c,b and q = u,d,s quarks) forming anti-decapenta (15)-plets with spin-parity one half-plus are predicted on simple theoretical considerations. The lightest members of these multiplets are explicitly exotic doublets cuuds-bar, cudds-bar with mass about 2420 MeV, and buuds-bar, budds-bar with mass about 5750 MeV, only 130 MeV heavier than Lambda_c and Lambda_b, respectively, and thus stable against strong decays. Although the production rate is probably very low, these remarkable pentaquarks can be looked for at LHC, Fermilab, B-factories, RHIC and elsewhere: their signatures are briefly discussed.

研究の動機と目的

• 大$N_c$ QCDおよび平均場理論を用いて、標準的な三クォークバリオンを超える新しいエキゾチックペンタクォーク状態を同定すること。
• 自発的対称性の破れを伴う非相対論的クォーク模型における集団励起状態として、観測されたバリオンスペクトル（$\Theta^+$ペンタクォークを含む）を説明すること。
• $Q = c,b$および量子数$\frac{1}{2}^+$を持つ重いエキゾチックペンタクォークの存在を予測し、低質量ゆえに強い崩壊に対して安定であることを示すこと。
• 高エネルギー衝突実験およびBファクトリーからの実験データにおいて、これらのエキゾチック状態を同定する理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• バリオンの力学を単純化するため、大$N_c$ QCDを用い、バリオンを平均的なメソン場内の$N_c$個のクォークとして扱う。
• 回転バンド理論を適用し、バリオン励起状態を基底状態の集団励起（粒子-空孔およびクォーク励起を含む）として分類する。
• 軽いバリオンからの固有クォークスペクトルを特定し、$1/N_c$スケーリングを用いて重いバリオンへと拡張する。
• $SU(3)_{\rm flav} \times SO(3)_{\rm space}$対称性の破れと集団量子化を用いて、多重項の量子数および回転エネルギーを導出する。
• 大$N_c$極限における粒子-空孔励起から生じる、$J^P = \frac{1}{2}^+$を持つ新しいエキゾチックペンタクォークの$\bar{15}$反十5重項を、$N_c \to 3$への外挿に基づき予測する。
• 回転エネルギーの式$E_{\rm rot} \sim \frac{1}{I_1}, \frac{1}{I_2}$を用いて、質量分裂および安定性を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大$N_c$ QCDおよび平均場理論を用いて、$Qqqq\bar{q}$構造および$J^P = \frac{1}{2}^+$を持つエキゾチックペンタクォークを予測できるか？
• RQ2 それらのエキゾチッククォーク内容を有するにもかかわらず、軽量のcharmおよびbottomペンタクォークが強い崩壊に対してなぜ安定なのか？
• RQ3 観測された軽いバリオン励起状態（$N(1440)$、$\Lambda(1405)$、$N(1535)$）は、エキゾチックペンタクォークの形成とどのように関係しているか？
• RQ4 自発的$SU(3)_{\rm flav} \times SO(3)_{\rm space}$対称性の破れは、バリオンスペクトルおよびエキゾチック状態をどのように形作っているか？
• RQ5 $\bar{15}$多重項のエキゾチックペンタクォークは、$\Theta^+$ペンタクォークを説明するのと同じ枠組みから一貫して導出可能か？

主な発見

• 最も軽いエキゾチックペンタクォーク、$cuud\bar{s}$および$buud\bar{s}$は、それぞれ約2420 MeVおよび約5750 MeVの質量を持つと予測される。
• これらの状態は、$\Lambda_c$および$\Lambda_b$バリオンよりもわずか130 MeVしか重くないため、強い崩壊に対して安定である。
• エキゾチックペンタクォークは、大$N_c$極限における粒子-空孔励起から生じる$\bar{15}$反十5重項を形成し、$J^P = \frac{1}{2}^+$を有する。
• この$\bar{15}$多重項の回転エネルギーは$\frac{5}{4I_2} + \frac{3}{8I_1}$として推定され、$N_c = 3$の実験的事実と整合的である。
• モデルは、$1/N_c$の1次項において、$\bar{15}$多重項における$\frac{1}{2}^+$および$\frac{3}{2}^+$状態の degeneracy を予測するが、$1/N_c$補正から分裂が生じる。
• 予測された状態は、以前に提案された反charmペンタクォークとは異なり、約500 MeVも軽量である。