[논문 리뷰] Evidence that the LHCb ${P_c}$ states are hadronic molecules and the existence of a narrow $P_c(4380)$

Meng-Lin Du, J. A. Oller외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 25.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHCb $P_c$ 상태가 한계 없는 한계 상태인 $\Sigma_c^{(*)}\bar{D}^{(*)}$ 상태들 간의 상호작용에 의해 형성된 강입자 분자임을 제안하며, 한계 상태 대칭을 고려한 1개의 파이온 교환과 단거리 상호작용을 포함하는 연계 채널 형식을 사용한다. 이는 이전에 확인되지 않았던 날렵한 $P_c(4380)$ 상태를 규명하며, 모든 관측된 $P_c$ 상태를 설명하고 향후 발견을 위한 세 개의 누락된 $\Sigma_c^*\bar{D}^*$ 상태를 예측한다.

ABSTRACT

Three hidden-charm pentaquark $P_c$ states, $P_c(4312)$, $P_c(4440)$, and $P_c(4457)$ were revealed in the $\Lambda_b^0 o J/\psi p K^-$ process measured by LHCb using both run I and run II data. Their nature is under lively discussion, and their quantum numbers have not been determined. We analyze the $J/\psi p$ invariant mass distributions under the assumption that the crossed-channel effects provide a smooth background. For the first time, such an analysis is performed employing a coupled-channel formalism with the scattering potential involving both one-pion exchange as well as short-range operators constrained by heavy quark spin symmetry. We find that the data can be well described in the hadronic molecular picture, which predicts seven $\Sigma_c^{(*)}\bar D^{(*)}$ molecular states in two spin multiplets, such that the $P_c(4312)$ is mainly a $\Sigma_c\bar D$ bound state with $J^P=1/2^-$, while $P_c(4440)$ and $P_c(4457)$ are $\Sigma_c\bar D^*$ bound states with quantum numbers $3/2^-$ and $1/2^-$, respectively. We also show that there is evidence for a narrow $\Sigma_c^*\bar D$ bound state in the data which we call $P_c(4380)$, different from the broad one reported by LHCb in 2015. With this state included, all predicted $\Sigma_c \bar D$, $\Sigma_c^* \bar D$, and $\Sigma_c \bar D^*$ hadronic molecules are seen in the data, while the missing three $\Sigma_c^*\bar D^*$ states are expected to be found in future runs of the LHC or in photoproduction experiments.

연구 동기 및 목표

• LHCb $P_c$ 상태가 $\Lambda_b^0 \to J/\psi p K^-$ 붕괴에서 관측된 강입자 분자의 본질을 규명하는 것.
• $P_c(4312)$, $P_c(4440)$, $P_c(4457)$ 상태의 양자수와 내부 구조를 해명하는 것.
• 데이터가 다른 이색 하드론 모델보다 강입자 분자 해석을 지지하는지 조사하는 것.
• 특히 $\Sigma_c^*\bar{D}^*$ 채널에서 예측된 누락된 분자 상태가 있는지 규명하는 것.
• 단일 연계 채널 프레임워크 내에서 모든 관측된 $P_c$ 상태를 일관되게 기술하는 것.

제안 방법

• $\Lambda_b^0 \to J/\psi p K^-$ 붕괴에서 $J/\psi p$ 진동 질량 분포를 기술하기 위해 연계 채널 형식을 사용하는 것.
• 한계 상태 스핀 대칭으로 제약을 받는 1개의 파이온 교환과 단거리 상호작용을 산란 잠재력에 포함하는 것.
• $P_c$ 상태들을 $\Sigma_c^{(*)}\bar{D}^{(*)}$ 메손-바리온 시스템의 결합 상태로 모델링하는 것.
• 교차 채널 효과를 설명하기 위해 부드러운 배경을 사용하여 분자 상태의 공명 기여를 분리하는 것.
• $J/\psi p$ 진동 질량 스펙트럼에 대한 전반적 피팅을 수행하여 양자수와 결합 에너지를 추출하는 것.
• 두 스핀 다중체에서 일곱 개의 $\Sigma_c^{(*)}\bar{D}^{(*)}$ 분자 상태가 존재할 것으로 예측하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $P_c(4312)$, $P_c(4440)$, $P_c(4457)$ 상태가 강입자 분자 해석과 일치하는가?
• RQ2 $P_c(4312)$, $P_c(4440)$, $P_c(4457)$ 상태의 양자수($J^P$)는 분자 모델 내에서 무엇인가?
• RQ3 2015년에 보고된 넓은 상태와 구별되는 날렵한 $P_c(4380)$ 상태에 대한 데이터에서 증거가 있는가?
• RQ4 관측된 $P_c$ 상태들이 예측된 $\Sigma_c^{(*)}\bar{D}^{(*)}$ 분자 상태를 모두 소진하는가, 아니면 추가 상태가 예상되는가?
• RQ5 한계 상태 스핀 대칭 제약을 가진 연계 채널 형식이 모든 관측된 $P_c$ 공명을 일관되게 설명할 수 있는가?

주요 결과

• $P_c(4312)$ 상태는 양자수 $J^P = 1/2^-$를 가지며, 주로 $\Sigma_c\bar{D}$ 결합 상태로, 분자 모델과 일치한다.
• $P_c(4440)$ 및 $P_c(4457)$ 상태는 각각 $J^P = 3/2^-$ 및 $1/2^-$를 가지며, $\Sigma_c\bar{D}^*$ 결합 상태로 확인된다.
• 데이터에서 넓은 $P_c(4380)$ 상태와 구별되는 날렵한 $P_c(4380)$ 상태가 발견되었으며, 이는 $\Sigma_c^*\bar{D}$ 분자 상태에 해당한다.
• 예측된 $\Sigma_c\bar{D}$, $\Sigma_c^*\bar{D}$, $\Sigma_c\bar{D}^*$ 분자 상태 모두가 데이터에서 관측되었으며, 분자 그림이 확인된다.
• 세 개의 누락된 $\Sigma_c^*\bar{D}^*$ 분자 상태는 예측되며, 향후 LHC 런 또는 광생산 실험에서 발견될 것으로 기대된다.
• 1개의 파이온 교환과 한계 상태 스핀 대칭을 포함하는 연계 채널 형식은 $J/\psi p$ 진동 질량 스펙트럼을 일관되고 정확하게 기술한다.