[論文レビュー] Spectrum of the molecular tetraquarks: Unraveling the $T_{cs0}(2900)$ and $T_{c\bar{s}0}^a(2900)$

Bo Wang, Kan Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2023

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、軽いクォーク交換に基づく有効場理論モデルを提案し、重いハドロン間の低エネルギーS波相互作用を記述する。$T_{cs0}(2900)$ および $T_{c\bar{s}0}^{a}(2900)$ が $\bar{D}^{(*)}K^{*}$ および $D^{(*)}K^{*}$ システムにおける分子状態として同定される。また、 charm および charm-strange セクターに多数の分子状パートナを予測し、実験データと整合する $D_s\pi$ インvariant質量スペクトルの線形形状を示す。

ABSTRACT

We relate the interactions of the $\bar{D}^{(\ast)} K^\ast$ and $D^{(\ast)} K^\ast$ systems to those of $D^{(\ast)}D^{(\ast)}$ and $D^{(\ast)}\bar{D}^{(\ast)}$ respectively, considering the residual strong interactions at the near-threshold energy is too weak to excite the strange quarks inside the hadrons. We propose an effective model to describe the low-energy S-wave interactions that are undertaken by the light $u$, $d$ quarks between two separated heavy hadrons. We find that the existence of molecules in the heavy-(anti)heavy sectors will naturally lead to the emergence of molecular states in $\bar{D}^{(\ast)} K^\ast$ and $D^{(\ast)} K^\ast$ systems. The recently observed $T_{cs0}(2900)$ and $T_{c\bar{s}0}^a(2900)$ can be well identified as the $0(0^+)$ and $1(0^+)$ partners of $T_{cc}(3875)$ and $Z_c(3900)$ in the charmed strange sector, respectively. We also predict their members under the {\it heavy} ($c$ and $s$) quark symmetry and SU(2) flavor symmetry. Most of them are very good molecule candidates, for example, (i) the $0(1^+)$ states in $D^\ast D^\ast$, $\bar{D}K^\ast$, $\bar{D}^\ast K^\ast$; (ii) the $0^{(+)}(2^{+(+)})$ states in $D^\ast \bar{D}^\ast$, $\bar{D}^\ast K^\ast$, $D^\ast K^\ast$; (iii) the $1^-(0^{++})$ state in $D^\ast\bar{D}^\ast$ and $1(1^+)$ state in $D^\ast K^\ast$. The $0^+(0^{++})$ state in $D\bar{D}$ and the $0(1^+)$ state in $DK^\ast$ might also exist as virtual states, and the $0(1^+)$ $DK^\ast$ can serve as a key to infer the existence of $0^+(0^{++})$ $D\bar{D}$. The $D_sπ$ invariant mass spectrum of $T_{c\bar{s}0}^a(2900)$ is also studied within the coupled-channel approach, and the molecular interpretation of $T_{c\bar{s}0}^a(2900)$ is consistent with the experimental data. Searching for the predicted states in experiments is crucial to discriminate the different pictures for interpreting these near-threshold exotica.

研究の動機と目的

• 最近観測された $T_{cs0}(2900)$ および $T_{c\bar{s}0}^{a}(2900)$ が $\bar{D}^{(*)}K^{*}$ および $D^{(*)}K^{*}$ システムにおける分子状態として解釈されることを説明すること。
• 軽いクォーク交換相互作用を通じて、$\bar{D}^{(*)}K^{*}$ および $D^{(*)}K^{*}$ システムと $D^{(*)}D^{(*)}$ および $D^{(*)}\bar{D}^{(*)}$ システムとの間の関係を確立すること。
• ハドロンの重いクォークおよび SU(2) フレーバー対称性の下で、charm および charm-strange セクターにおける新しい分子状態を予測すること。
• カップルドチャネルフレームワークを用いて、実験的 $D_s\pi$ インヴァリアント質量スペクトルと照らし合わせ、$T_{c\bar{s}0}^{a}(2900)$ の分子的解釈を検証すること。
• これらのExotic状態の分子的性質を線形形状解析を通じて実験的に確認するための重要なシグネチャを特定すること。

提案手法

• 2つの分離された重いハドロン間の軽い $u$ および $d$ クォーク間の残余強い相互作用に基づく有効ポテンシャルモデルを構築する。
• ハドロンクォーク対称性および SU(2) フレーバー対称性を適用し、$\bar{D}^{(*)}K^{*}$ および $D^{(*)}K^{*}$ システムを $D^{(*)}D^{(*)}$ および $D^{(*)}\bar{D}^{(*)}$ システムと関連付ける。
• 有効ラグランジアンにおける低エネルギー定数（LEC）を決定するために、$T_{cc}(3875)$、$X(3872)$、および $Z_{c}(3900)$ を基準状態として用いる。
• $D_s\pi$ および $D^*K^*$ チャネルを含むカップルドチャネル計算を実施し、$T_{c\bar{s}0}^{a}(2900)$ の $D_s\pi$ インヴァリアント質量スペクトルをモデル化する。
• 現実の実験条件を再現するために、$K^*$ メソンの有限幅（25–50 MeV）を考慮する。
• 複素エネルギー平面における極構造および仮想状態の振る舞いを分析し、分子的安定性および共鳴特徴を評価する。

Figure 1: The isospin triplet (left column) and singlet (right column) of the di-meson systems that contain a light $q\bar{q}$ (first row) or $qq$ (second row) pair in the SU(2) flavor symmetry, respectively.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $T_{cs0}(2900)$ および $T_{c\bar{s}0}^{a}(2900)$ は $\bar{D}^{(*)}K^{*}$ および $D^{(*)}K^{*}$ システムにおける分子状態として解釈可能か？
• RQ2 ハドロンクォークおよび SU(2) フレーバー対称性の下で、$T_{cs0}(2900)$ および $T_{c\bar{s}0}^{a}(2900}$ の予測される分子的パートナは何か？
• RQ3 $K^*$ メソンの有限幅が $T_{c\bar{s}0}^{a}(2900)$ の $D_s\pi$ インヴァリアント質量スペクトルにどのように影響するか？
• RQ4 $0(1^{+})$ $DK^*$ 状態は、$0^{+}(0^{++})$ $D\bar{D}$ 分子状態の存在を確認するための重要なプローブとして機能できるか？
• RQ5 観測された $D_s\pi$ チャネルの線形形状は、$T_{c\bar{s}0}^{a}(2900)$ の分子的（仮想状態）解釈と整合性を示しているか？

主な発見

• $T_{cs0}(2900)$ および $T_{c\bar{s}0}^{a}(2900)$ は、charm-strange セクターにおける $T_{cc}(3875)$ および $Z_{c}(3900)$ の $0^{+}$ および $1^{-}$ パートナとして同定される。
• $D^*D^*$、$\bar{D}K^*$、$\bar{D}^*K^*$ の $0(1^{+})$ 状態は、強い結合または仮想状態の特徴を示す良好な分子候補と予測される。
• $D^*\bar{D}^*$、$\bar{D}^*K^*$、$D^*K^*$ の $0^{+}(2^{+})$ 状態も、妥当な分子状態として予測される。
• $D^*\bar{D}^*$ の $1^{-}(0^{++})$ 状態および $D^*K^*$ の $1(1^{+})$ 状態は、強い分子候補と特定される。
• $D\bar{D}$ の $0^{+}(0^{++})$ および $DK^*$ の $0(1^{+})$ 状態は仮想状態として存在しうり、後者は前者の存在を確認するための重要なプローブとなる可能性がある。
• $T_{c\bar{s}0}^{a}(2900)$ のカップルドチャネル解析により、分子的解釈が $D_s\pi$ インヴァリアント質量スペクトルと整合することが示され、特に $K^*$ の幅を 25–50 MeV ととった場合に顕著である。

Figure 2: The schematic diagrams for the near-threshold interactions that are undertaken by the light quark interplays. The thick, thin and dashed lines denote the heavy quarks ( $c$ and $s$ ), light quarks ( $u$ and $d$ ) and the exchanged mesons (isospin triplet plus the singlet), respectively.