[論文レビュー] Radiative transitions of charmonium states in a constituent quark model

Weijun Deng, Li-Ye Xiao+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2015

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 54被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、構成クォークモデルを用いて、チャーミオン状態の電磁放射遷移を調査し、電気的（E1）および磁気的（M2）多極遷移を両方組み込む。E1支配の過程においてM2干渉効果が顕著であることが判明し、高エネルギーのチャーミオン状態についても正確な予測が得られた。特に、Γ[X(3872)→ψ(2S)γ]/Γ[X(3872)→J/ψγ] ≈ 4.0 の予測はBaBarのデータと整合しており、X(3872)がχc1(2P)であることを支持する。

ABSTRACT

We study the electromagnetic (EM) transitions of the $nS$, $nP$ ($n\leq 3$), and $nD$ ($n\leq 2$) charmonium states with a constituent quark model. We obtain a reasonable description of the EM transitions of the well-established charmonium states $J/ψ$, $ψ(2S)$, $χ_{cJ}(1P)$, $h_c(1P)$ and $ψ(3770)$. We find that the M2 transitions give notable corrections to some E1 dominant processes by interfering with the E1 transitions. Our predictions of EM decay properties for the higher charmonium states are also presented and compared with other model predictions. In particular, we discuss the EM decay properties of some $"XYZ"$ states, such as $X(3823)$, $X(3872)$, $X(3915)$, $X(3940)$ and $X(4350)$ as conventional charmonium states. Assuming $X(3872)$ as the $χ_{c1}(2P)$ state, our predicted ratio $Γ[X(3872) o ψ(2S)γ]/Γ[X(3872) o J/ψγ]\simeq 4.0$ is consistent with BaBar's measurement.

研究の動機と目的

• 構成クォークモデルを用いて、チャーミオン状態における電磁遷移を信頼性の高いものとして記述すること。
• 新しく観測されたXYZ状態、特にX(3872)について、従来のチャーミオン割り当ての妥当性を検証すること。
• E1支配の放射遷移におけるM2遷移の役割を調査すること。
• 既存状態を超える高次の径動的および軌道励起状態（nS, nP, nD）の崩壊性質を予測すること。
• X(3872)、X(3823)、X(3915)、X(3940)、X(4350)について、モデル予測を実験データおよび他の理論的アプローチと比較すること。

提案手法

• チャーミオン状態の内部構造を記述する非相対論的ポテンシャルを用いた構成クォークモデルを採用する。
• 結合ポテンシャルの効果を含み、高次の多極寄与（例：M2）を許容する特殊な電磁遷移演算子を用いる。
• クォーク波動関数と光子結合から導かれる行列要素を用いて、放射遷移（E1、M2）の部分幅を計算する。
• よく確立された状態（例：J/ψ、ψ(2S)）の実験的質量を用い、NR、GI、SNRポテンシャルモデルから予測される未確立状態の質量を用いる。
• 異なるポテンシャルモデルに対応する3つのクォークモデルバージョン（QM1、QM2、QM3）の間で予測を比較する。
• E1およびM2振幅の干渉計算を実施し、遷移率に与える両者の共同影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 構成クォークモデルは、J/ψ、ψ(2S)、χcJ(1P)といったよく確立されたチャーミオン状態の電磁崩壊を正確に記述できるか？
• RQ2 M2遷移はE1支配の放射遷移にどの程度寄与し、予測された分岐比にどのような影響を与えるか？
• RQ3 X(3872)をχc1(2P)として割り当てる仮定は、特にψ(2S)γおよびJ/ψγへの崩壊比に矛盾しないか？
• RQ4 未確立のD波状態（例：2D、3P、3S）の放射遷移の部分幅は予測できるか？
• RQ5 X(3823)、X(3915)、X(3940)、X(4350)といったXYZ状態のモデル予測は、他の理論的モデルや実験的観測とどの程度一致するか？

主な発見

• モデルは、J/ψ、ψ(2S)、χcJ(1P)、hc(1P)、ψ(3770)といったよく確立されたチャーミオン状態の電磁遷移を合理的に記述できる。
• M2遷移は、破壊的および強化的干渉を通じてE1支配の過程に顕著な補正を加え、予測された分岐比を顕著に変化させる。
• Γ[X(3872)→ψ(2S)γ]/Γ[X(3872)→J/ψγ] ≈ 4.0 の予測は、BaBarの測定値と良好に一致しており、X(3872)がχc1(2P)としての割り当てを支持する。
• 未確立のD波状態（例：ψ3(1D)、ψ2(1D)、ψ1(1D)）については、0.01 keVから数keVの範囲で部分幅が予測され、異なるポテンシャルモデル間で顕著な差異が見られた。
• χc2(3P)、χc1(3P)、ηc2(2D)といった高次の状態の放射遷移の予測は、ポテンシャルモデルの選択（NR、GI、SNR）に強く依存しており、部分幅の差が最大で2倍に達する。
• ψ2(2D)→χc1(1P)やηc2(2D)→hc(1P)といった遷移に対して、非ゼロのM2寄与が予測され、M2幅は最大で10 keVに達する。これは、高次の多極効果が無視できないことを示している。