[논문 리뷰] Looking for the hidden-charm pentaquark resonances in $J/ψp$ scattering

Hongxia Huang, Jun He외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 30.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 최근 관측된 은폐-charm 펜타쿼크 $P_c(4312)$, $P_c(4440)$, $P_c(4457)$가 각각 $J^P = \frac{1}{2}^-$, $\frac{3}{2}^-$, $\frac{1}{2}^-$를 가진 쿼크 비어있음, 반입자 메손으로 구성된 분자 상태임을 제안한다. 이는 쿼크 분산 색 스크리닝 모델(QDCSM)과 공명 군 방법(RGM)을 사용하여 바리온-메손 산란 단계 이완각을 계산함으로써 이루어지며, 향후 EIC와 제퍼슨 랩에서의 실험을 위한 타겟으로 유망한 너비 4 MeV 이하인 매우 좁은 은폐-bottom 펜타쿼크 $P_b$ 상태가 11 GeV 이상에서 예측된다.

ABSTRACT

In the framework of quark delocalization color screening model, the three new reported pentaquarks $P_{c}(4312)$, $P_{c}(4440)$, and $P_{c}(4457)$ can be identified as the hidden-charm molecular states $Σ_{c}D$ with $J^{P}=\frac{1}{2}^{-}$, $Σ_{c}D^{*}$ with $J^{P}=\frac{3}{2}^{-}$, and $Σ_{c}D^{*}$ with $J^{P}=\frac{1}{2}^{-}$, in the baryon-meson scattering process, respectively. Besides, the $Σ^{*}_{c}D^{*}$ of both $J^{P}=\frac{1}{2}^{-}$ and $J^{P}=\frac{3}{2}^{-}$ are also possible molecular pentaquarks. Moreover, the calculation is extended to the $P_{c}-$like molecular pentaquarks $P_{b}$. Several states with masses above $11$ GeV and narrow width are obtained. All these heavy pentaquarks are worth searching in the future experiments.

연구 동기 및 목표

• LHCb에서 관측된 최신의 좁은 은폐-charm 펜타쿼크 $P_c(4312)$, $P_c(4440)$, $P_c(4457)$를 바리온-메손 산란에서의 분자 상태로 해석하기 위해.
• 동일한 프레임워크 내에서 추가적인 분자 펜타쿼크, 특히 $\Sigma_c^* D^*$ 상태의 존재를 조사하기 위해.
• 중량 풍미 대칭을 사용하여 은폐-bottom 펜타쿼크($P_b$)로 분석을 확장하기 위해.
• 향후 실험적 탐색을 안내하기 위해 이러한 상태의 질량과 너비에 대한 정량적 예측을 제공하기 위해.

제안 방법

• 쿼크 분산 색 스크리닝 모델(QDCSM)을 사용하여 바리온과 메손의 내부 구조를 기술하며, 색 스크리닝 및 쿼크 분산 효과를 포함한다.
• 공명 군 방법(RGM)을 사용하여 가우시안 기저에 대해 상대 운동 파동함수를 전개함으로써 바리온-메손 산란 단계 이완각을 계산한다.
• 다수의 쿼크 시스템에서 Fermi 통계를 고려하기 위해 반대칭화 연산자 $\mathcal{A} = 1 - P_{14} - P_{24} - P_{34}$ 를 적용한다.
• 상대 운동 파동함수는 생성 좌표 $\boldsymbol{S}_i$ 와 계수 $C_i$, 그리고 원운동 함수 $j_L$ 를 사용하여 부분파를 기술한다.
• 산란 파동함수는 $\chi_L(\boldsymbol{R}_{AB}) = \sum_i C_i \tilde{u}_L(R_{AB}, S_i)/R_{AB} Y_{LM}(\hat{\boldsymbol{R}}_{AB})$ 로 구성되며, 점점 커지는 행동이 산란 상태와 일치한다.
• S-행렬의 복소 에너지 평면 상의 극에서 고유한 진동수와 너비를 추출하여 $J/\psi p$ 및 $\Upsilon p$ 산란 채널에서의 결합 또는 공명 상태를 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHCb에서 관측된 세 개의 좁은 $P_c$ 상태가 각각 특정한 양자수를 가진 $\Sigma_c D$, $\Sigma_c D^*$, $\Sigma_c D^*$ 분자 상태로 식별될 수 있는가?
• RQ2 $J^P = \frac{1}{2}^-$ 및 $\frac{3}{2}^-$를 가진 $\Sigma_c^* D^*$ 분자 상태들이 산란 과정에서 동적으로 생성되는가?
• RQ3 은폐-bottom 펜타쿼크 $P_b$의 성질은 $\Upsilon p$ 산란 채널에서 중량 풍미 대칭을 통해 예측된 바는 무엇인가?
• RQ4 어떤 $\Sigma_c^* D^*$ 상태들이 $\eta_c p$ 및 $\Lambda_c D^*$ 산란에서는 공명으로 나타나지만 $J/\psi p$ 산란에서는 나타나지 않는가?

주요 결과

• $P_c(4312)$ 상태는 $J^P = \frac{1}{2}^-$를 가진 $\Sigma_c D$ 분자 상태로 식별되며, 예측 질량은 4311.9 MeV, 너비는 9.8 MeV로 실험 데이터와 일치한다.
• $P_c(4440)$ 및 $P_c(4457)$ 상태는 각각 $J^P = \frac{3}{2}^-$ 및 $\frac{1}{2}^-$를 가진 $\Sigma_c D^*$ 분자 상태로 해석되며, 질량은 4440.3 MeV 및 4457.3 MeV, 너비는 20.6 MeV 및 6.4 MeV이다.
• $J^P = \frac{1}{2}^-$를 가진 $\Sigma_c^* D^*$ 상태는 질량 4525.8 MeV, 너비 4.0 MeV로 예측되며, $\eta_c p$ 산란에서 공명으로 나타나지만 $J/\psi p$ 산란에서는 나타나지 않는다.
• $J^P = \frac{3}{2}^-$를 가진 $\Sigma_c^* D^*$ 상태는 질량 4523.0 MeV, 너비 1.0 MeV로 예측되며, $J/\psi p$ 산란에서는 쿠스프로 나타나지만 $\Lambda_c D^*$ 산란에서는 공명으로 나타난다.
• 은폐-bottom 영역에서는 세 개의 좁은 $P_b$ 상태가 예측된다: $\Sigma_b B$ 는 11077.5 MeV, 너비 0.1 MeV; $\Sigma_b B^*$ 는 11125.8 MeV, 너비 0.8 MeV; $\Sigma_b^* B^*$ 는 11153.5 MeV, 너비 3.0 MeV이며, 모두 $IJ^P = \frac{1}{2}\frac{1}{2}^-$ 를 가진다.
• $IJ^P = \frac{1}{2}\frac{3}{2}^-$ 를 가진 추가적인 두 개의 $P_b$ 상태가 예측된다: $\Sigma_b B^*$ 는 11122.7 MeV (너비 0.2 MeV), $\Sigma_b^* B$ 는 11103.6 MeV (너비 0.8 MeV)로, 매우 무거운 좁은 펜타쿼크의 풍부한 스펙트럼을 나타낸다.