[論文レビュー] Spectroscopy and production of doubly charmed tetraquarks

Tetsuo Hyodo, Yan-Rui Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、非相対論的QCD（NRQCD）を用いて、$e^+e^-$衝突における二重 charm テトラクォーク $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}(\mathrm{cc}\bar{u}\bar{d})$ の分光および生成を調査する。異なる内部色配置—反トリプレット $\bm{\bar{3}}$ とセクセット $\bm{6}$—が微分断面積における運動量および角度分布に異なる影響を及ぼすことが判明し、実験的にこれらのExotic状態を区別可能である。

ABSTRACT

We discuss the production of the exotic doubly-charmed tetraquark mesons ${ m T}_{{ m c}{ m c}}({ m c}{ m c}\bar{ m u}\bar{ m d})$ from electron-positron collisions. ${ m T}_{{ m c}{ m c}}({ m c}{ m c}\bar{ m u}\bar{ m d})$ is a compact exotic hadron whose binding energy is provided by the diquark correlations. We evaluate the production cross section in the electron-positron collisions using the nonrelativistic QCD framework, and investigate the difference of the production cross section for different color configurations in two charm quarks (antitriplet and sextet), where the mixing of different configurations is suppressed in the heavy quark limit. The total cross section is estimated by modeling the nonperturbative fragmentation process of the charm quark pair into the tetraquark by the wavefunction of the tetraquark and the probability of picking up the light quarks. We find that the internal color configurations are distinguishable by the qualitative features of the differential cross sections which are independent of the nonperturbative matrix elements.

研究の動機と目的

• Exotic 二重charm テトラクォーク $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}(\mathrm{cc}\bar{u}\bar{d})$ の分光および生成メカニズムを $e^+e^-$ 衝突において調査すること。
• 特に $\bm{\bar{3}}$（反トリプレット）および $\bm{6}$（セクセット）の内部色配置が $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ の生成ダイナミクスに与える役割を検討すること。
• 非摂動的フラグメンテーションをモデル化することで、$\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ 状態への charm クォーク対の生成断面積を推定すること。
• 異なる色スピン配置の $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ を区別できる実験的測定可能なシグネチャー—具体的には、運動量および生成角度に関する微分断面積—を同定すること。

提案手法

• 微分断面積の摂動的および非摂動的寄与を分離するため、非相対論的QCD（NRQCD）因子化フレームワークを用いる。
• クォーク模型波動関数と軽いクォークの取り込み確率を用いて、$c\bar{c}$ 対の非摂動的フラグメンテーションを $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ テトラクォーク状態にモデル化する。
• 主な色スピン配置として $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{\bar{3}},{}^3S_1]$ および $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{6},{}^1S_0]$ を考慮し、重いクォーク極限において混合が抑制されることを仮定する。
• 生成された $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ の三元運動量 $p$ および衝突軸に対する生成角度 $\Theta$ に関する微分断面積を計算する。
• charm クォーク質量 $m_c = 1.6$ および $1.8$ GeV、$\alpha_s = 0.212$ および $0.221$ を用い、$\sqrt{s} = 10.6$ GeV での数値的評価を実施する。
• 異なる色配置における運動量および角度分布の定性的な特徴を比較し、区別可能なパターンを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる内部色配置（$\bm{\bar{3}}$ 対 $\bm{6}$）は、$e^+e^-$ 衝突における $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ 生成の運動量および角度分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 異なる色スピン構造を有する $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ 状態の $e^+e^-$ 安定化反応における推定生成断面積はどの程度か？
• RQ3 微分断面積が、非摂動的行列要素に依存しない形で、$\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ の内部色構造に関する情報を明らかにできるか？
• RQ4 非摂動的フラグメンテーション効果を含めることで、それ以前にこのような効果を無視した研究と比較して断面積推定値にどのような変化が生じるか？
• RQ5 $e^+e^-$ 実験において、$\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{\bar{3}},{}^3S_1]$ と $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{6},{}^1S_0]$ 状態を区別するための実験的観測量は何か？

主な発見

• $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{\bar{3}},{}^3S_1]$ の全生成断面積は、入力パラメータに応じて 0.1281–0.3007 fb に推定され、$\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{6},{}^1S_0]$ は 0.05762–0.1451 fb である。
• $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{\bar{3}},{}^3S_1]$ の微分断面積は大きな三元運動量 $p$ でピークを示すが、$\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{6},{}^1S_0]$ は $p \sim 1$ GeV のような小さな運動量でも生成される。
• $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{\bar{3}},{}^3S_1]$ は主に横方向（$\Theta = \pi/2, 3\pi/2$）に生成されるが、$\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{6},{}^1S_0]$ は衝突軸方向（$\Theta = 0, \pi$）にピークを示す。
• 二つの色配置における微分断面積の運動量および角度依存性は、定性的に異なるため、実験的に明確に区別可能な特徴を示す。
• これらの微分分布の違いは、非摂動的行列要素に依存せず、$\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ の内部色構造を特定するための信頼できるシグネチャーである。
• 非摂動的フラグメンテーション効果を含めることで、それ以前の研究がこの効果を無視していた場合と比較して断面積が抑制され、予測の現実性が向上する。