[論文レビュー] Why there are many threshold structures in hadron spectrum with heavy quarks

Xiang-Kun Dong, Feng-Kun Guo+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、開放チャンネルを含む非相対論的効果的場理論を用いて、重味クォンタム状態のスペクトルにおける近閾値共鳴構造の多さを説明する。閾値のくびれ（cusp）が顕著なピークに見えるのは、最終状態のハドロン間相互作用が引力的である場合に限られ、その幅は換算質量に反比例する。したがって、ハドロン相互作用が引力的である場合、重味クォンタム状態と軽いハドロンの閾値に広範な閾値構造が予測される。

ABSTRACT

Tremendous progress has been made experimentally in the hadron spectrum containing heavy quarks in the last two decades. It is surprising that many resonant structures are around thresholds of a pair of heavy hadrons. There should be a threshold cusp at any $S$-wave threshold. By constructing a nonrelativistic effective field theory with open channels, we discuss the generalities of threshold behavior, and offer an explanation of the abundance of near-threshold peaks in the heavy quarkonium regime. We show that the threshold cusp can show up as a peak only for channels with attractive interaction, and the width of the cusp is inversely proportional to the reduced mass relevant for the threshold. We argue that there should be threshold structures at any threshold of a pair of heavy-quark and heavy-antiquark hadrons, which have attractive interaction at threshold, in the invariant mass distribution of a heavy quarkonium and light hadrons that couple to that open-flavor hadron pair. The structure becomes more pronounced if there is a near-threshold pole. Predictions of the possible pairs are also given for the ground state heavy hadrons. Precisely measuring the threshold structures will play an important role in revealing the heavy-hadron interactions, and thus understanding the puzzling hidden-charm and hidden-bottom structures.

研究の動機と目的

• 重味をもつハドロンスペクトルにおける近閾値に近い共鳴構造の多さを説明すること。
• このような構造が特にヒドゥン・チアムおよびヒドゥン・ボトム系において顕著である理由を理解すること。
• 閾値くびれがインバリアント質量分布において観測可能なピークとして現れる条件を特定すること。
• 引力的相互作用を示す重クォークおよび重反クォークハドロン対のすべての閾値に、閾値構造が存在することを予測すること。
• 実験的測定を支援するため、閾値ダイナミクスを観測するのに有望なチャンネルを特定すること。

提案手法

• 重味クォンタム状態と開放フラバー状態を含む非相対論的効果的場理論を構築すること。
• S波散乱振幅を用いて閾値挙動を分析し、インバリアント質量分布における閾値くびれの役割を特定すること。
• 閾値くびれが目に見えるピークに転化する条件を導出する：最終状態ハドロン間の相互作用が引力的である場合に限る。
• くびれの幅が2体最終状態の換算質量に反比例することを示し、軽い系ではより狭くなることを明らかにする。
• 効果的場理論を用いて、近閾値極を伴う場合の閾値構造の強度と形状を計算すること。
• 形式的枠組みを応用し、例えばcharmおよびbottom mesonsなどの特定のハドロン対において、このような構造が予想される場所を予測すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ重味クォンタム状態スペクトルにおいて、閾値に近い場所に多数の共鳴構造が観測されるのか？
• RQ2 どのような条件下で、閾値くびれがインバリアント質量分布において目に見えるピークとして現れるのか？
• RQ3 最終状態ハドロン対の換算質量が、閾値くびれの幅にどのように影響するのか？
• RQ4 どの重ハドロン対が引力的相互作用により顕著な閾値構造を生じると予想されるのか？
• RQ5 近閾値極の存在が、閾値くびれ効果の可視性を高めるのか？

主な発見

• 重味クォンタム状態と軽いハドロンのインバリアント質量分布において、閾値くびれが観測可能なピークとして現れるのは、最終状態ハドロン間の相互作用が引力的である場合に限る。
• 閾値くびれの幅は、2体最終状態の換算質量に反比例し、軽い系ではより狭くなる。
• 閾値で引力的相互作用を示す重クォークおよび重反クォークハドロン対のすべての閾値に、閾値構造が予測される。
• 近閾値極の存在は、閾値くびれの顕著さを著しく高め、実験データにおける可視性を向上させる。
• 特定の基底状態ハドロン対（例：$D\bar{D}$, $B\bar{B}$, $D^*\bar{D}^*$ など）におけるこのような構造の観測が予測される。
• これらの閾値構造の正確な測定は、基礎的な重ハドロン相互作用を解明し、ヒドゥン・チアムおよびヒドゥン・ボトム状態の本質を解明するために不可欠である。