[論文レビュー] Systematic study of the singularity mechanism in heavy quarkonium decays

Qian Wang, C. Hanhart+1 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2013

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、重味ヒッグスボソン崩壊における特異性メカニズムを調査し、S波の重いメソンループが、中間状態がほぼオンシェルで相対運動量が小さい場合に低エネルギーのハドロン対の生成を強化することを示している。このメカニズムは、$Z_b$ および $Z_b'$ 共鳴状態がハドロン-ハドロン結合状態であるならば、$\Upsilon(6S)$ 崩壊において顕著に増幅された信号を予測し、分子的構造と四クォーク構造を区別するための運動学的診断ツールを提供する。

ABSTRACT

We investigate in detail the role of heavy meson loops in the transition from $J^{PC}=1^{--}$ sources to candidates for QCD "exotics", such as $Z_c(3900)$, $Z_b(10610)$ and $Z_b'(10650)$. We demonstrate that, if a vector state strongly couples to a heavy meson pair in an $S$--wave and this system decays to another heavy meson pair (e.g. via pion emission), again in an $S$-wave, the pertinent diagrams get enhanced significantly, if the intermediate states are (near) on--shell and have small relative momenta. In a limited kinematic range this mechanism generates "singularity regions" that lead to the creation of a large number of low energy heavy meson pairs, providing an ideal environment for the formation of hadron-hadron bound states or resonances. For instance, we predict that the signals for $Z_b$ and $Z_b'$ should be a lot stronger in $Υ(6S)$ decays due to this mechanism, if these states are indeed hadron-hadron resonances. The findings of this work should be valuable for deepening our understanding of the nature of the mentioned states.

研究の動機と目的

• 重味ヒッグスボソン崩壊における近閾値増幅現象（例：$Z_c(3900)$、$Z_b(10610)$、$Z_b'(10650)$）の起源を理解すること。
• これらの状態が三角特異性によるくびれ効果（cusp effects）に起因するか、あるいは明示的な共鳴状態に起因するかを調査すること。
• 初期エネルギーにどのように依存するか、特にメソンループ図における2カット条件に関連して、これらの状態の生成率がどのように変化するかを特定すること。
• 運動学的依存性を用いた診断プローブとして、これらの状態が分子状態か、より複雑なハドロン分子構造かを明確にすること。

提案手法

• 重味ヒッグスボソンがπおよび重いメソン対に崩壊するS波メソンループ図を分析し、2つのオンシェル中間状態が2カット条件を満たす運動学的領域に注目する。
• 中間状態の幅（例：$\Gamma_{D_1} = 27$ MeV、$\Gamma_{D^*} = 190$ keV）がくびれ構造をなめらかにすることの役割を、位相空間にわたる数値積分を用いて評価する。
• S波およびP波遷移に三角特異性メカニズムを適用し、S波（強い）とP波（弱い）チャンネルにおけるくびれ効果を比較する。
• BESIIIおよびCLEO-cの実験データと比較して、異なるエネルギー（例：$\sqrt{s} = 4.43$ GeV）における $e^+e^-$ 衝突における $J/\psi\pi$ 二体質量分布の理論的予測を検証する。
• $\Upsilon(5S)$ と $\Upsilon(6S)$ 崩壊における運動学的増幅の有無・無さを、$Z_b$ 状態の分子的か四クォーク的かの性質をテストする手段として用いる。
• $\psi(4160) \to J/\psi\pi\pi$ のP波遷移に $D^*\bar{D}^*$ ループを適用し、S波閾値効果が存在しないにもかかわらず、やや弱いくびれに似た増幅が現れることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $Y(4260) \to J/\psi\pi\pi$ における $Z_c(3900)$ 増幅は、$\bar{D}D^*$ ループにおける三角特異性によるくびれで説明可能か？
• RQ2 予測される2カットメカニズムに従い、$Z_b$ および $Z_b'$ 状態の生成率は、崩壊するベクトル状態の初期エネルギーに強く依存するか？
• RQ3 共鳴信号の運動学的依存性は、分子状態と明示的共鳴状態を区別できるか？
• RQ4 中間メソン（例：$D_1(2420)$ および $D^*(2007)$）の有限幅は、二体質量スペクトルにおけるくびれ構造の可視性にどのように影響するか？
• RQ5 $e^+e^- \to J/\psi\pi\pi$ における $\sqrt{s} = 4.17$ GeV での $Z_c(3900)$ シグナルは、P波ループメカニズムで説明可能か、それとも明示的共鳴が必要か？

主な発見

• 中間状態がほぼオンシェルで相対運動量が小さい場合、$\bar{D}D^*$ および $\bar{D}^*D^*$ 二体質量スペクトルに顕著なくびれに似た増幅が特異性メカニズムによって生成される。
• $D_1(2420)$ の有限幅により、$\bar{D}D^*$ のくびれ効果はなめらかにされ、$J/\psi\pi$ スペクトルにおいて4.32 GeV以上でショルダーに似た構造に変化する。
• 中間状態がハドロン-ハドロン共鳴状態であるならば、$\Upsilon(6S)$ 崩壊では $\Upsilon(5S)$ 崩壊よりも $Z_b$ および $Z_b'$ 状態の信号が著しく強く予測される。これは、$\Upsilon(6S)$ 領域で2カット条件が満たされるためである。
• $\psi(4160) \to D^*\bar{D}^*$ を通るP波ループは、$\sqrt{s} = 4.17$ GeV でやや弱い増幅を生じるが、$Z_c(3900)$ シグナルを説明するには十分ではない。
• 実験的に観測された $\sqrt{s} = 4.17$ GeV における $Z_c(3900)$ シグナルは、純粋なくびれ起源とは整合せず、くびれ効果に加えて明示的共鳴が必要であることを示唆する。
• $Z_c(3900)$ の生成率の全エネルギー依存性は、診断ツールとして有効である：強い依存性は分子的性質を示し、弱い依存性は四クォーク構造を示唆する。