[論文レビュー] Some insights into the newly observed $Z_c(4100)$ in $B^0 o η_c K^+ π^-$ by LHCb

Q. Zhao|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、$B^0 \to \eta_c K^+ \pi^-$ 衰変における新たに観測された $Z_c(4100)$ 共鳴の性質を検討し、$D^*\bar{D}^*$ 分子状態を伴う最終状態相互作用または $P$-波共鳴状態の両者によって生じると提案している。主な結果として、$Z_c(4100)$ の中性パートナーが $P$-波状態として存在する場合、exotic な量子数 $I^G(J^{PC}) = 1^-(1^{-+})$ を有することを示しており、$Z_c(4020)$ との動的な関連性を示唆している。

ABSTRACT

The newly reported exotic signal $Z_c(4100)$ by the LHCb Collaboration in the invariant mass spectrum of $η_cπ^-$ in $B^0 o η_c K^+ π^-$ has been a new experimental evidence for an exotic meson containing four constituent quarks. Although the present experimental information is very limited, we show that its correlations with some existing exotic candidates can be recognized. This signal can be either caused by final state interaction effects or a $P$-wave resonance state arising from the $D^*\bar{D}^*$ interaction. For the latter option its neutral partner will have exotic quantum numbers of $I^G(J^{PC})=1^-(1^{-+})$. This signal, if confirmed, would provide important clues for dynamics for producing multiquark systems in $B$ meson decays and $e^+e^-$ annihilations.

研究の動機と目的

• 新たに観測された $B^0 \to \eta_c K^+ \pi^-$ 衰変における $Z_c(4100)$ 共鳴の性質を明確化すること。
• $Z_c(4100)$ が最終状態相互作用に起因するものか、真の $P$-波共鳴状態かを特定すること。
• $Z_c(4100)$ の中性パートナーの量子数および崩壊チャネルを特定すること、特にその exotic な $J^{PC}$ 量子数を特定すること。
• 共鳴構造を確認するための今後の実験的チャネルを提案すること、特に $e^+e^-$ 消滅反応における検証を重視すること。

提案手法

• $B^0 \to \eta_c K^+ \pi^-$ における $\eta_c\pi^-$ のインヴァリアント質量スペクトルを分析し、$4096 \pm 20^{+18}_{-22}$ MeV に共鳴を同定し、幅は $152 \pm 58^{+60}_{-35}$ MeV である。
• 2 つのメカニズムを検討：$S$-波 $D^*\bar{D}^*$ 散乱による最終状態相互作用、または $D^*\bar{D}^*$ 相互作用に起因する真の $P$-波共鳴状態。
• アイソスピンおよびスピン・フレーバー結合解析を用いて、パイオン交換ポテンシャルの符号を決定し、$I=1$、$J^{PC}=1^{-+}$ 様式で引力を示すことを支持する。
• $I=1$ および $J^{PC}=1^{-+}$ を持つ $D^*\bar{D}^*$ 相互作用を用いて、$Z_c(4100)$ と整合する共鳴状態をモデル化する。
• $Z_c(4020)$ や $Z_c(3900)$ といった既知の状態と比較し、量子数および生成ダイナミクスの整合性を評価する。
• $\sqrt{s} \approx 4.43$ および $4.66$ GeV における今後の $e^+e^-$ 消滅実験を提案し、$D\bar{D}\pi$、$D\bar{D}\pi\pi$、$\rho D\bar{D}^{(*)}$ の最終状態を通じて $I=1$ チャーモニウム様状態をプローブする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $Z_c(4100)$ 共鳴は、真の共鳴ではなく、最終状態の $D^*\bar{D}^*$ 相互作用によって説明可能か？
• RQ2 $P$-波 $D^*\bar{D}^*$ 相互作用に起因する場合、$Z_c(4100)$ の中性パートナーの量子数は何か？
• RQ3 $e^+e^- \to h_c\pi\pi$ および $D^*\bar{D}^*\pi$ で観測された $Z_c(4020)$ 共鳴と、$Z_c(4100)$ 状態は整合性があるか？
• RQ4 $S$-波 $D^*\bar{D}^*$ 相互作用は、$I^G(J^{PC}) = 1^-(0^{+})$ 状態を形成する上でどのような役割を果たすか？
• RQ5 $I=1$ チャーモニウム様状態（$J^P = 0^+, 1^-, 1^+, 2^+$）を検出する上で、どの $e^+e^-$ 消滅チャネルが最も感度が高いか？

主な発見

• $4096 \pm 20^{+18}_{-22}$ MeV に位置する $Z_c(4100)$ 共鳴（幅 $152 \pm 58^{+60}_{-35}$ MeV）は、$I^G(J^{PC}) = 1^-(1^{-+})$ を持つ $P$-波 $D^*\bar{D}^*$ 共鳴と整合的である。
• $Z_c(4100)$ の中性パートナーが $P$-波共鳴状態として存在する場合、exotic な量子数 $I^G(J^{PC}) = 1^-(1^{-+})$ を有する。これは従来の状態とは明確に区別される。
• $C$-パリティ選択則により、$I=1$、$J^{PC}=1^{-+}$ の場合、$S$-波 $D^*\bar{D}^*$ 相互作用は除外されるが、$P$-波結合は許可される。
• $I=1$、$J^{PC}=1^{-+}$ を持つ $P$-波 $D^*\bar{D}^*$ システムは、パイオン交換による引力的相互作用を予測し、共鳴状態の形成を支持する。
• $Z_c(4100)$ 共鳴は真の $I=1$、$J^{PC}=1^{-+}$ 状態ではなく、$P$-波共鳴または最終状態相互作用の効果である可能性が高い。
• $\sqrt{s} \approx 4.43$ および $4.66$ GeV における今後の $e^+e^-$ 実験、特に $D\bar{D}\pi$、$D\bar{D}\pi\pi$、$\rho D\bar{D}^{(*)}$ チャネルは、状態の量子数を確認する上で極めて重要である。