[論文レビュー] Study of $I=0$ bottomonium bound states and resonances in $S$, $P$, $D$ and $F$ waves with lattice QCD static-static-light-light potentials

Pedro Bicudo, Nuno Cardoso+2 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2022

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、Born-Oppenheimer近似とユニタリな発生波法を用い、格子QCDから得られる静的-静的-軽い-軽いポテンシャルを用いて、I=0のボトミウムのS、P、D、F波におけるT行列の極を計算した。5つのチャネル（ボトニウムおよび4つのオープンB(*)B(*)およびBs(*)Bs(*)メソン対状態）に結合する。Υ(10753)共鳴状態は、79%の成分を示す主にメソン対分子であり、Bs(*)Bs(*)閾値近くにあり、類似の複合的性質を示すD波状態が存在することが判明し、X(3872)のボトニウム双対体である可能性が示唆された。

ABSTRACT

In this paper we study $I = 0$ bottomonium in $S$, $P$, $D$ and $F$ waves considering five coupled channels, one confined quarkonium and four open $B^{(*)} \bar B^{(*)}$ and $B_s^{(*)} \bar B_s^{(*)}$ meson-meson channels. To this end we use and extend a recently developed novel approach utilizing lattice QCD string breaking potentials for the study of quarkonium bound states and resonances. This approach is based on the Born Oppenheimer approximation and the unitary emergent wave method and allows to compute the poles of the $\mbox{T}$ matrix. We compare our results to existing experimental results for $I = 0$ bottomonium and discuss masses, decay widths and the assignment of angular momentum quantum numbers. Moreover, we determine the quarkonium and meson-meson composition of these states to clarify, which of them are ordinary quarkonium, and which of them should rather be interpreted as tetraquarks.

研究の動機と目的

• 第一原理の格子QCDポテンシャルを用いて、開charmおよび開bottom閾値付近のI=0ボトニウム共鳴状態の性質を調査すること。
• 観測された共鳴状態（例：Υ(10753)）が、従来のクォークネートか四クォークかを、クォークネートおよびメソン対成分の分析により特定すること。
• S波研究の延長として、P、D、F波にまで拡張し、S波を超える完全なスペクトル的画像を提供すること。
• チャーミウム状態X(3872)（D*D̄閾値近くに存在）のボトン系における類似状態、すなわちボトニウム双対体が存在するかを評価すること。

提案手法

• 静的クォークと軽いクォーク間の格子QCDのストリングブレイキングポテンシャルを用い、クォークネートとメソン対チャネル間の相互作用をモデル化する。
• ボルン＝オーパンハイマーの断熱近似を適用し、重いクォークの運動エネルギーを含め、クォークネートとメソン対チャネルを動的に結合する。
• 部分波分解を実施し、S、P、D、F波における5×5の結合チャネルシュレーディンガー方程式を導出する。
• ユニタリな発生波法を用いてT行列を計算し、位相シフトおよび共鳴極を抽出する。
• 複素エネルギー平面における極探索を実施し、共鳴状態の質量および崩壊幅を決定する。
• 各共鳴状態のクォークネートおよびメソン対成分を分析し、状態を従来のクォークネートか四クォークかに分類する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実験的に観測されたΥ(10753)共鳴状態は、従来のD波ボトニウム状態として記述されるか、それとも動的に生成されたメソン対分子として記述されるかがより適切か？
• RQ2 Υ(10860)およびΥ(11020)共鳴状態のクォークネート対比とメソン対成分は何か？また、それらはS波かD波の構成から生じているか？
• RQ3 Bs(*)Bs(*)閾値付近に、X(3872)に類似した性質を示すボトニウム状態が存在するか？これは四クォーク状態に類似した構造を示唆するか？
• RQ4 P、D、F波におけるI=0ボトニウム状態の質量および崩壊幅は、実験的データおよび理論的期待値とどのように一致するか？
• RQ5 本手法はΥ(10753)共鳴状態の質量および成分を適切に再現できるか？また、閾値付近に追加の状態を予測するか？

主な発見

• Υ(10753)共鳴状態はS波チャネルで10.773 GeVに極を持つことが判明し、実験的値10.753 ± 0.007 GeVと非常に良好に一致した。
• Υ(10753)共鳴状態は主にメソン対分子であり、B(*)B(*)およびBs(*)Bs(*)チャネルからの79%の成分を示しており、四クォーク状態に類似した性質を示している。
• J̃=2、n=3のD波共鳴状態が10.808 GeVに存在し、Υ(10860)に近く、5S状態のD波双対体である可能性がある。
• Υ(11020)共鳴状態はダブルレット状態と解釈され、S波（J̃=0、n=7）およびD波（J̃=2、n=4）の両方の領域に極を持つことから、混合または簡約性の可能性が示唆された。
• J̃=2、n=3の状態がBs(*)Bs(*)閾値に非常に近くに存在し、79%がメソン対、21%がクォークネート成分を示しており、X(3872)のボトニウム双対体である可能性が示唆された。
• 本研究では、多数の共鳴状態が顕著なメソン対成分を持つことが判明し、多数の観測されたボトニウム状態が従来のクォークネートではなく、動的に生成された四クォーク状態である可能性が示唆された。