[論文レビュー] Spectroscopy and decays of the fully-heavy tetraquarks

Muhammad Naeem Anwar, J. Ferretti+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2017

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、非相対論的効果的場理論（NREFT）および一グルーオン交換（OGE）と規束力を持つ相対論的修正付き二クォーク模型を用いて、完全に重いテトラクォーク、特に $bb\bar{b}\bar{b}$ 状態の存在と性質を調査している。地殻状態の質量は $18.72 \pm 0.02$ GeV、崩壊幅は約 50 MeV と予測されており、これはLHC実験における四レプトンまたは $B\bar{B}$ 最終状態を通じた検出可能性を示唆している。

ABSTRACT

We discuss the possible existence of the fully-heavy tetraquarks. We calculate the ground-state energy of the $bb \bar b \bar b$ bound state, where $b$ stands for the bottom quark, in a nonrelativistic effective field theory framework with one-gluon-exchange (OGE) color Coulomb interaction, and in a relativized diquark model characterized by OGE plus a confining potential. Our analysis advocates the existence of uni-flavor heavy four-quark bound states. The ground state $bb\bar b\bar b$ tetraquark mass is predicted to be $(18.72\pm0.02)$~GeV. Mass inequality relations among the lowest $QQ\bar{Q}\bar{Q}$ state, where $Q\in \{c, b\}$, and the corresponding heavy quarkonia are presented, which give the upper limit on the mass of ground state $QQ\bar{Q}\bar{Q}$. The possible decays of the lowest $bb\bar{b}\bar{b}$ are highlighted, which might provide useful references in the search for them in ongoing LHC experiments, and its width is estimated to be a few tens of MeV.

研究の動機と目的

• 実験的データが欠如する中で、完全に重いテトラクォーク、特に $bb\bar{b}\bar{b}$ 状態の存在を調査すること。
• 非相対論的効果的場理論（NREFT）および二クォーク模型を用いて、$bb\bar{b}\bar{b}$ システムの基底状態エネルギーを計算すること。
• $QQ\bar{Q}\bar{Q}$ テトラクォークとそれに対応するクォークォリアの間の質量不等式関係を導出し、テトラクォーク質量の上界を提供すること。
• $bb\bar{b}\bar{b}$ 基底状態の崩壊幅を推定し、主要な崩壊チャネルを特定することで、LHCにおける実験的探索を支援すること。

提案手法

• 一グルーオン交換（OGE）に起因する色クーロン力を持つ非相対論的効果的場理論（NREFT）を一次近似（LO）で用い、$bb\bar{b}\bar{b}$ システムをモデル化した。
• HylleraasおよびOreの多電子系のアプローチから得られる対称性を用い、空間的対称性 $\psi_{\text{spatial}}(bb) = \psi_{\text{spatial}}(\bar{b}\bar{b})$ を課すことにより、四体問題の簡略化を図った。
• テトラクォークを二クォークと反二クォークの結合状態として扱う相対論的修正付き二クォーク-反二クォーク模型を適用し、OGE力と規束力を取り入れた。
• 一次近似（LO）で色波動関数 $|\bar{\mathbf{3}}_{12}\mathbf{3}_{34}; \mathbf{1}_{1234}\rangle$ を使用したが、高次項では $|\mathbf{6}_{12}\bar{\mathbf{6}}_{34}; \mathbf{1}_{1234}\rangle$ への混合が生じる。
• 四レプトンまたは $B\bar{B}$ 最終状態への主要な崩壊モードに基づき、$bb\bar{b}\bar{b}$ 基底状態の全崩壊幅が約 50 MeV 程度であると推定した。
• 両モデルの結果を比較して一貫性を検証し、モデル依存性を評価したところ、数10 MeVの範囲内で一致した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $bb\bar{b}\bar{b}$ テトラクォーク状態は、$\eta_b\eta_b$ 閾値より下で束縛状態として存在するか？
• RQ2 NREFTおよび二クォーク模型を用いた場合、$bb\bar{b}\bar{b}$ テトラクォークの基底状態の予測質量は何か？
• RQ3 重いクォークォリアの質量を用いて、$QQ\bar{Q}\bar{Q}$ テトラクォーク質量の上界を与える質量不等式関係を導出できるか？
• RQ4 $bb\bar{b}\bar{b}$ 基底状態の主要な崩壊モードと全幅は何か？そして、それらはLHC探索をどのように支援するか？
• RQ5 NREFTと相対論的修正付き二クォーク模型の予測は、質量および崩壊幅においてどのように一致するか？

主な発見

• NREFTアプローチでは、$bb\bar{b}\bar{b}$ 基底状態が $18.72 \pm 0.02$ GeV の束縛状態として予測されており、これは $\eta_b\eta_b$ 閾値より下にあることを示唆している。
• 相対論的修正付き二クォーク模型でも同様の予測である $18.75$ GeV が得られ、$bb\bar{b}\bar{b}$ 状態の理論的フレームワークにかかわらず安定であることが確認された。
• 計算された $bb\bar{b}\bar{b}$ 状態の質量は、導出された質量不等式関係を満たしており、これは $QQ\bar{Q}\bar{Q}$ テトラクォーク質量の上界を重いクォークォリアの質量で表すものである。
• $bb\bar{b}\bar{b}$ 基底状態の全崩壊幅は約 50 MeV と推定され、主要な崩壊チャネルは四レプトン最終状態、または $B\bar{B}$、$\Lambda_b\bar{\Lambda}_b$、$\Xi_b\bar{\Xi}_b$、$\Sigma_b\bar{\Sigma}_b$、$\Omega_b\bar{\Omega}_b$ 最終状態である。
• 本研究では、$bb\bar{b}\bar{b}$ テトラクォークがLHC実験で検出可能である可能性が示唆されており、とくにバックグラウンドが低くクリアなシグネチャを提供する四レプトン最終状態での検出が有望である。
• 18–19 GeV の範囲で四レプトン過剰が観測されたCMSの予備的分析が、予測された質量領域と関連している可能性があると指摘された。