[논문 리뷰] Fully-charm tetraquarks: $cc\bar{c}\bar{c}$

Xiaoyun Chen|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 19.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 비상대론적 카이랄 쿼크 모형과 가우시안 전개 방법을 사용하여 완전한 캄프 테트라쿼크($cc\bar{c}\bar{c}$)를 조사하며, 메손-메손 및 디쿠아크-아nt디쿠아크 구조 간의 동적 혼합을 포함한다. 이는 $\bar{c}c$ 임계값 이상의 세 개의 공명 상태를 예측하며, 질량은 각각 6.51 GeV ($0^{++}$), 6.60 GeV ($1^{+-}$), 6.71 GeV ($2^{++}$)로, $J/\psi J/\psi$ 또는 $\eta_c\eta_c$ 채널에서 실험적 서명이 가능할 것으로 나타난다.

ABSTRACT

In this work, we continue to study the mass spectra of fully-heavy tetraquarks $cc\bar{c}\bar{c}$ with the quantum numbers of $J^{PC}=0^{++}, 1^{+-}, 2^{++}$ in the nonrelativistic chiral quark model. With the help of the Gaussian Expansion Method, we present dynamical computations for $cc\bar{c}\bar{c}$ state with considering two structures, meson-meson [$\bar{c}c$][$\bar{c}c$] and diquark-antidiquark [$cc$][$\bar{c}\bar{c}$] and their mixing. The results manifest that the energies of the low-lying states are all higher than the meson-meson thresholds [$\bar{c}c$][$\bar{c}c$]. However, resonances are possible because of the color structure. Several resonances are proposed and the lowest resonance is predicted to be 6.5 GeV and the stability of the resonance states is checked using the real scaling method.

연구 동기 및 목표

• 완전한 캄프 테트라쿼크($cc\\bar{c}\\bar{c}$)의 존재성과 질량 스펙트럼을 $J^{PC} = 0^{++}, 1^{+-}, 2^{++}$ 상태로 조사하는 것.
• 두 개의 $\bar{c}c$ 메손 임계값 이하에 바인드 상태가 형성될 수 있는지 여부를 검토하는 것.
• 메손-메손($[\bar{c}c][\bar{c}c]$)과 디쿠아크-아nt디쿠아크($[cc][\bar{c}\bar{c}]$) 구조 간의 동적 혼합을 연구하는 것.
• 상호쿼크 거리 분석을 통해 예측된 공명 상태의 구조적 성질(분자형 또는 고밀도형)을 규명하는 것.
• LHCb와 Belle-II에서의 향후 실험적 탐색을 위해 정밀한 예측을 제공하는 것.

제안 방법

• 쿼크 질량, 운동에너지, 스핀 독립 및 스핀 의존 잠재력이 포함된 해밀토니안을 포함한 비상대론적 카이랄 쿼크 모형을 적용함.
• GEM(Gaussian Expansion Method)을 사용하여 $cc\bar{c}\bar{c}$ 시스템의 고정밀도 4체 계산을 수행함.
• 모든 색 조합을 고려: 메손-메손의 경우 $1\times1$, $8\times8$, 디쿠아크-아nt디쿠아크의 경우 $\bar{3}\times3$, $6\times\bar{6}$.
• 잠재력의 스핀 독립 및 스핀 의존 부분을 통해 다양한 구조 간의 동적 혼합을 반영함.
• 진정한 공명 상태를 식별하고 안정성을 확인하기 위해 실수 스케일링 방법(안정화 방법)을 적용함.
• 공명 상태의 분자형 또는 고밀도형 성격을 분석하기 위해 상호쿼크 거리($R_{c\bar{c}}$, $R_{cc}$, $R'_{c\bar{c}}$)를 계산함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 개의 $\bar{c}c$ 메손 임계값 이하에 $cc\bar{c}\bar{c}$의 안정된 바인드 상태가 존재하는가?
• RQ2 가장 낮은 에너지 상태의 $cc\bar{c}\bar{c}$ 공명 상태의 질량과 양자수는 무엇인가?
• RQ3 메손-메손과 디쿠아크-아nt디쿠아크 구조 간의 혼합이 스펙트럼에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 예측된 공명 상태의 구조적 조성(분자형 또는 고밀도형)은 어떠한가?
• RQ5 $cc\bar{c}\bar{c}$ 테트라쿼크는 일반적인 캄프onium 상태와 실험적으로 구별될 수 있는가?

주요 결과

• 질량 수준이 가장 낮은 $cc\bar{c}\bar{c}$ 상태들($J^{PC} = 0^{++}, 1^{+-}, 2^{++}$)은 모두 $[\bar{c}c][\bar{c}c]$ 메손-메손 임계값 이상에 위치해 있어 안정된 바인드 상태의 존재를 배제한다.
• 실수 스케일링 방법을 통해 6510 MeV ($0^{++}$), 6600 MeV ($1^{+-}$), 6708 MeV ($2^{++}$)에서 세 개의 진정한 공명 상태가 확인되었다.
• 하위구조 내의 상호쿼크 거리 $R'_{c\bar{c}}$는 작고 (~0.6–0.7 fm) 있어, 각 하위구조 내에서 $c\bar{c}$ 쌍이 강하게 결합되어 있음을 시사한다.
• 큰 $R_{c\bar{c}}$ (3.4–3.98 fm) 와 $R_{cc}$ (4.78–3.98 fm) 는 전체적으로 분자형 성질을 띠고 있음을 나타낸다.
• 예측된 공명 질량은 비상대론적 쿼크 모형과 QCD 합 규칙 추정치와 일치하지만, 일부 단순화된 모델보다는 높은 값을 가진다.
• $cc\bar{c}\bar{c}$ 테트라쿼크는 두 개의 $\bar{c}c$ 메손으로 자발적 분열을 겪을 것으로 예상되며, 이에 따라 $J/\psi J/\psi$ 및 $\eta_c\eta_c$ 채널이 실험적 탐지에 유망한 후보로 나타난다.