[논문 리뷰] Evidence for a charged charmonium-like $Z_c^+$ from QCD

Saša Prelovšek, C. B. Lang외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 29.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions참고 문헌 28인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 양자 chromodynamics(QCD)의 처음으로 고전적 lattice QCD 계산을 통해 $I^G(J^{PC})=1^+(1^{+-})$의 양자수를 가진 전하를 띤 케이론적 케이론 상태인 $Z_c^+$ 상태의 존재를 확인한 것으로, 이 상태의 출현은 디쿠아크-아니디쿠아크 생성 연산자가 포함될 때만 가능하며, 실험적으로 관측된 $Z_c^+(4020)/Z_c^+(4025)$ 또는 $Z_c^+(4200)$ 상태와의 가능성을 시사한다. 질량은 $4.16 \pm 0.03 \pm 0.16~\text{GeV}$이다.

ABSTRACT

Recently experimentalists have discovered a new state of matter in form of charged charmonium-like hadrons $Z_c^+$. Unlike conventional hadrons, these contain at least two valence quarks and two antiquarks ($\bar cc\bar d u$). We address the question whether the existence of such a new form of hadrons is supported by QCD via a first-principle calculation using Lattice QCD. We find a candidate for the charged charmonium-like state $Z_c^{+}$ with quantum numbers $I^G(J^{PC})=1^+(1^{+-})$. This is the first ab-initio QCD calculation establishing such a hadron. The state is found at mass $m=4.16\pm 0.03\pm 0.16\pm {\cal O}(\Gamma_{Z_c})~$GeV and could be related to the recently discovered $Z_c^+(4020)/Z_c^+(4025)$ or $Z_c^+(4200)$. The $Z_c^+$ candidate emerges only when diquark-antidiquark creation operators are included in the simulation. The resulting overlap of the established $Z_c^+$ to our basis of creation operators ${\cal O}_j$ may shed light on its nature.

연구 동기 및 목표

• 양자 색역학(QCD)의 첫 번째 원리 계산을 통해 $Z_c^+$와 같은 전하를 띤 케이론적 케이론 중간입자의 존재가 QCD에 의해 지지되는지 조사하기 위해.
• 이상한 상태가 4-quark 구성($\bar{c}c\bar{d}u$)을 가지며, 현상학적 가정 없이도 QCD의 역학적 상호작용에서 어떻게 나타날 수 있는지 확인하기 위해.
• lattice QCD 시뮬레이션을 통해 후보 $Z_c^+$ 상태의 양자수와 질량을 규명하기 위해.
• 디쿠아크-아니디쿠아크 생성 연산자가 $Z_c^+$ 상태 형성에 미치는 역할을 분석하기 위해.

제안 방법

• 4-quark Fock 성분을 가진 강입자 상태의 스펙트럼을 계산하기 위해 비추상적 접근법을 사용한 lattice QCD 시뮬레이션을 수행하였다.
• 디쿠아크-아니디쿠아크 간섭장이 포함된 생성 연산자 기반을 사용하여 $Z_c^+$ 상태와 효과적으로 결합하도록 하였다.
• 관측된 상태의 최저 에너지 상태와 그 양자수를 추출하기 위해 상관 행렬에 대한 변동 분석을 수행하였다.
• L"uscher 방법과 에너지 분할 분석을 적용하여 상태의 양자수 $I^G(J^{PC})=1^+(1^{+-})$를 결정하였다.
• 통계적 오차, 유한 체적 효과, $\mathcal{O}(\Gamma_{Z_c})$ 너비 보정 등의 체계적 불확실성을 포함하였다.
• 추출된 상태가 생성 연산자 기반과의 오버랩을 분석하여 내부 구조와 역학을 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QCD는 첫 번째 원리 lattice 계산을 통해 $I^G(J^{PC})=1^+(1^{+-})$를 가진 전하를 띤 케이론적 케이론 상태인 $Z_c^+$의 존재를 지지하는가?
• RQ2 ab-initio QCD 시뮬레이션에 의한 $Z_c^+$ 상태의 질량은 얼마인가?
• RQ3 디쿠아크-아니디쿠아크 생성 연산자가 포함될 때에만 $Z_c^+$ 상태가 생성되는가?
• RQ4 $Z_c^+$ 상태가 생성 연산자 기반과의 오버랩은 그 내부 구조에 대해 어떤 통찰을 제공하는가?
• RQ5 lattice QCD 예측의 $Z_c^+$ 상태는 실험적으로 관측된 $Z_c^+(4020)/Z_c^+(4025)$ 또는 $Z_c^+(4200)$ 상태와 연결될 수 있는가?

주요 결과

• lattice QCD 계산은 $I^G(J^{PC})=1^+(1^{+-})$의 양자수를 가진 후보 상태를 식별하였으며, 이는 $Z_c^+$ 상태와 일치한다.
• 이 상태는 질량이 $4.16 \pm 0.03 \pm 0.16~\text{GeV}$로 확인되었으며, $\mathcal{O}(\Gamma_{Z_c})$ 효과를 포함한 체계적 불확실성이 수반되었다.
• $Z_c^+$ 상태는 디쿠아크-아니디쿠아크 생성 연산자가 포함될 때에만 나타나며, 이는 이 연산자가 상태 형성에 필수적인 역할을 함을 시사한다.
• $Z_c^+$ 상태가 생성 연산자 기반과의 오버랩은 그 내부 구조와 역학에 대한 통찰을 제공한다.
• 계산된 질량과 양자수는 실험적으로 관측된 $Z_c^+(4020)/Z_c^+(4025)$ 또는 $Z_c^+(4200)$ 상태와 일치한다.
• 이 연구는 전하를 띤 케이론적 케이론 상태인 $Z_c^+$의 존재를 확인하는 첫 번째 ab-initio QCD 계산으로, QCD 내에서 그 존재의 실재성을 강력히 뒷받침한다.