[논문 리뷰] Charmed Baryon Spectroscopy from Lattice QCD with $N_f=2+1+1$ flavors

Raúl A. Briceño, Daniel R. Bolton외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 04.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions인용 수 3

한 줄 요약

이 격자 QCD 연구는 $N_f=2+1+1$ 동적 페르미온을 사용하여 쿼크의 스펙트럼을 계산하며, 쿼크에 상대론적 무거운 쿼크 작용을 적용하고 HISQ 해를 사용한다. 이 연구는 발견되지 않은 이중 및 삼중 쿼크를 가진 바리온의 질량을 예측하며, $Σ_{cc}$ 상태가 SELEX 측정값보다 1.9σ 높게 발견되어 이 관측의 실험적 확인이 필요하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

We present preliminary results of the calculation of the positive-parity ground state charm baryon spectrum using of N_f=2+1+1$ dynamical quarks. The calculation uses a relativistic heavy-quark action for the valence charm quark, clover-Wilson fermions for the valence light quarks and HISQ sea quarks. The spectrum is calculated with a lightest pion mass around 220 MeV and two lattice spacings ($a\sim0.12$ fm and 0.09 fm) are used to extrapolate to continuum limit. Our preliminary results are consistent with the currently measured baryon spectrum, except for the isospin-averaged $J=1/2$ $Ξ_{cc}$ which is approximately $2 σ$ above the SELEX observed value. We predict the yet-to-be-discovered double and triple-charm baryons $Ξ_{cc}^*$, $Ω_{cc}$, $Ω_{cc}^*$, $Ω_{ccc}$ to have masses 3665(42)(29) MeV, 3694(40)(45) MeV, 3739(35)(21) MeV and 4782(24)(28) MeV, respectively.

연구 동기 및 목표

• Unquenched 격자 QCD를 사용하여 $N_f=2+1+1$ 동적 쿼크를 가진 양성자 상태의 스펙트럼을 계산한다.
• 조정된 매개변수 $m_0$, $\nu$, $c_B$, 및 $c_E$를 가진 상대론적 무거운 쿼크 작용을 사용하여 쿼크 영역의 이산화 오차를 줄인다.
• 두 가지 격자 간격($a \sim 0.12$ fm 및 $0.09$ fm)과 두 가지 파이온 질량($m_\pi \sim 220$ MeV 및 $310$ MeV)을 사용하여 물리적 점으로의 외삽을 수행한다.
• 특히 SELEX 관측의 $\Xi_{cc}^+$ 상태와 일치하는지 검증하고, 발견되지 않은 이중 및 삼중 쿼크를 가진 바리온의 질량을 예측한다.
• BEPCII, LHC 및 PANDA에서의 실험을 위해 제어 가능한 체계적 오차를 가진 연속 극한 스펙트럼을 계산하여 제1원리 이론적 입력을 제공한다.

제안 방법

• MILC 협력의 게이지 구성에서 $N_f=2+1+1$ HISQ 해 쿼크와 HYP-스무딩된 게이지 필드를 사용하여 고주파 노이즈를 줄인다.
• 경계 경로상의 경계 쿼크(우, 디, 에스)에 클로버-윌슨 페르미온을 사용하고, 쿼크의 질량 오차를 억제하기 위해 상대론적 무거운 쿼크 작용을 사용한다.
• 매개변수 $m_0$, $\nu$, $c_B$, 및 $c_E$를 비중력적으로 조정하여 $\eta_c$ 및 $J/\psi$의 분산 관계와 $m_{\overline{1S}}/m_\Omega$ 비율을 실험 값인 0.084와 일치시킨다.
• 두 가지 격자 간격과 두 가지 경계 쿼크 질량에서 계산하여 $m_\pi^2/m_\Omega^2$ 및 $a^2$에 대한 선형 피팅을 통해 물리적 점으로의 외삽을 가능하게 한다.
• 포인트 싱크와 가우시안 스무딩 소스를 사용하여 두 점 상관 함수에서 해입 질량을 추출하고, 재료 오차 추정 및 이중 지수 피팅을 통해 교차 확인을 수행한다.
• 연속 극한 외삽 절차를 적용하여 먼저 $am_c$에서 물리적 쿼크 질량으로 보간하고, 이후 $m_\pi^2$ 및 $a^2$에 대해 물리적 극한으로 외삽한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 격자 QCD 계산에서의 쿼크 바리온 스펙트럼은 3520 MeV에서 $\Xi_{cc}^+$ 상태를 관측한 SELEX 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 발견되지 않은 이중 및 삼중 쿼크를 가진 바리온 $\Xi_{cc}^*$, $\Omega_{cc}$, $\Omega_{cc}^*$, 및 $\Omega_{ccc}$의 예측 질량은 무엇인가?
• RQ3 쿼크 영역에서의 이산화 효과는 스펙트럼에 어느 정도 영향을 미치며, 상대론적 무거운 쿼크 작용을 사용하여 얼마나 잘 제어할 수 있는가?
• RQ4 구체적으로 쿼론의 초미세 분열과 D-메손 질량 결과는 실험과 어떻게 비교되며, 이는 계산의 신뢰성에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 기타 쿼크 바리온의 실험 스펙트럼과의 일치성은 무엇이며, 특히 $\Xi_{cc}$의 불일치를 고려할 때 어떤가?

주요 결과

• 계산된 $\Xi_{cc}$ 바리온 질량은 SELEX 실험 값인 3520 MeV보다 1.9σ 높게 나타나 상당한 불일치를 보이며, 이는 SELEX 관측의 실험적 확인이 필요할 수 있음을 시사한다.
• 예측된 $\Xi_{cc}^*$ 바리온 질량은 3665(42)(29) MeV이며, 통계 오차와 피팅 창 오차가 포함되어 있다.
• $\Omega_{cc}$ 바리온은 3694(40)(45) MeV의 질량을 예측하며, 쿼크 바리온의 기대 질량 순서와 일치한다.
• $\Omega_{cc}^*$ 상태는 3739(35)(21) MeV에 위치할 것으로 예측되며, 스핀 의존 상호작용과 일치하는 질량 분열을 보인다.
• $\Omega_{ccc}$ 바리온은 4782(24)(28) MeV의 질량을 예측하며, 이는 이중 쿼크를 가진 것들보다 크게 무겁다.
• 계산된 쿼론의 초미세 분열은 $\Delta_{1S} = 111.0(5.5)(6.6)$ MeV이며, 실험 값인 116 MeV와 양호하게 일치하여 방법의 신뢰성을 검증한다.