[論文レビュー] Systematic Study of Hadronic Molecules in the Heavy-Quark Sector

Martin Cleven|arXiv (Cornell University)|May 16, 2014

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 4

ひとこと要約

本学位論文は、重味クォーク系におけるバリオン分子の性質を調査し、$D_{s0}^{*}$ および $D_{s1}$ 状態が $DK$ および $D^{*}K$ 分子として生じることを提案する。一方、$Z_b(10610)$ および $Z_b(10650)$ は、$B^{*}\bar{B}+c.c.$ および $B^{*}\bar{B}^{*}$ 分子として解釈される。チャイral対称性および重クォーク対称性を用いて、分子的図式において $D_{sJ}$ 状態のハドロン崩壊が1桁程度大きく予測され、実験的検証の鍵を提供する。

ABSTRACT

In this work we study the properties of hadronic molecules in the heavy-quark sector. These have become increasingly important since from the beginning of this century a large number of states have been measured that for different reasons do not fit the predictions of simple quark models. In particular we discuss two candidates in the open charm sector, $D_{s0}^*(2317)$ and $D_{s1}(2460)$, and two candidates in the bottomonium sector, $Z_b(10610)$ and $Z_b(10650)$. Theorists have proposed different explanations for these states including tetraquarks, hybrids, hadro-quarkonia and, subject of this work, hadronic molecules. The study of these new states promises to provide insights in an important field of modern physics, the formation of matter by the strong force. Hadronic molecules are bound systems of hadrons in the same way two nucleons form the deuteron. For this the molecular states need to be located close to $S$-wave thresholds of their constituents. The dynamics of their constituents will have a significant impact on the molecules which allows us to make predictions that are unique features of the molecular assignment.

研究の動機と目的

• 新しく観測された、標準クォーク模型の予測に合わない、開放 charm 系および bottomonium 系のハドロン状態の分子的性質を調査すること。
• ユニタリゼーションされたチャイral摂動論を用いて、$D_{s0}^{*}$ および $D_{s1}$ が $DK$ および $D^{*}K$ 散乱振幅の極として生成され、チャイral対称性の制約を満たすかを検証すること。
• $Z_b(10610)$ および $Z_b(10650)$ が $B^{*}\bar{B}+c.c.$ および $B^{*}\bar{B}^{*}$ 分子として解釈できるかを、非相対論的有効場理論を用いて評価すること。
• 分子状態とコンパクトな四クォーク状態を区別するための実験的に測定可能な量、特に崩壊幅を同定すること。
• PANDA および Bファクトリーでの今後の実験を支援するため、不変質量スペクトルおよび崩壊分岐比の予測フレームワークを提供すること。

提案手法

• チャイral対称性の制約を組み込んだユニタリゼーションされたチャイral摂動論を用い、$DK$ および $D^{*}K$ 散乱振幅における $D_{s0}^{*}$ および $D_{s1}$ の極を生成した。
• 重クォーク対称性を用いて、$D^{(*)}K$ 系におけるスピン依存項の相互作用を抑制し、$D_{s0}^{*}$ および $D_{s1}$ の分子的割り当てを正当化した。
• 非相対論的有効場理論（NREFT）を用いて、$Z_b^{(\prime)}$ 状態の $\Upsilon\pi$、$h_b\pi$、$\chi_b\gamma$ 最終状態への2体崩壊振幅を計算した。
• 相対論的および非相対論的ラグランジアンを用い、ループ積分に対してテンソル還元技術を適用して、放射性およびハドロン崩壊断面積を計算した。
• ブレイト＝ウィーナー形式とは異なり、近閾値状態を正確に記述するため、不変質量スペクトルをフラットェパラメータライゼーションでモデル化した。
• 軽クォーク質量（上/下クォークおよび strange クォーク）の変化に伴う分子状態の極の依存性を検討し、 lattice QCD 計算との比較を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チャイral摂動論の枠組み内で、$D_{s0}^{*}$ および $D_{s1}$ 状態が $DK$ および $D^{*}K$ 分子として動的に生成可能かどうか。
• RQ2 分子的 $D_{sJ}$ 状態とコンパクトな $c\bar{s}$ 状態との間で、特にハドロン崩壊および放射性崩壊において、特徴的な崩壊シグネチャは何か。
• RQ3 $Z_b(10610)$ 状態は $B^{*}\bar{B}+c.c.$ 分子として最も適切に記述できるか。また、$\Upsilon\pi$ および $h_b\pi$ への崩壊がこの解釈を支持するか。
• RQ4 $Z_b^{(\prime)}$ 状態の不変質量分布は、標準的なブレイト＝ウィーナー形式からどのように逸脱するか。特に開放閾値付近での最適な記述法は何か。
• RQ5 分子的図式において、$\chi_b\gamma$ のような新しい崩壊チャネルは利用可能であり、次世代 B ファクトリーで観測可能か。

主な発見

• 分子的図式において、$D_{s0}^{*}$ および $D_{s1}$ のハドロン崩壊幅は、コンパクトな四クォーク模型と比較して約1桁大きくなると予測され、実験的区別に重要な指標を提供する。
• 放射性崩壊 $D_{s0}^{*}\to D_{s}\gamma$ および $D_{s1}\to D_{s}^{*}\gamma$ の崩壊率は、分子的図式およびコンパクトな解釈の両方で同等の大きさであり、状態の割り当てに対して感度が低い。
• $Z_b(10610)$ および $Z_b(10650)$ 状態は、極がそれぞれの閾値以下にある $B^{*}\bar{B}+c.c.$ および $B^{*}\bar{B}^{*}$ 分子としてモデル化することで、Belle 群の不変質量スペクトルを再現できる。
• ブレイト＝ウィーナー形式とは異なり、フラットェパラメータライゼーションは、近閾値 $Z_b^{(\prime)}$ 状態の線形スペクトルを正確に記述するために不可欠である。
• $Z_b^{(\prime)}\to \chi_{bJ}\gamma$ の分岐比は、次世代 B ファクトリーで観測可能であるほど大きく予測され、分子仮説の重要な実験的検証を提供する。
• $D_{sJ}$ 状態の極は、strange クォークおよび軽クォーク質量の変化に応じてシフトすることが判明し、分子モデルの検証を可能にする lattice QCD 計算との直接比較が可能となった。