[논문 리뷰] Probing the long-range structure of the $T_{cc}^+$ with the strong and electromagnetic decays

Lu Meng, Guang-Juan Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 30.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 결합 에너지와 혼합 각도에 따라 $T_{cc}^+$ 테트라쿼크 상태의 결합 상수를 연결하기 위해 연성채널 효과적 장 이론을 사용하여 장거리 구조를 조사한다. 강한 상호작용 및 복사 붕괴 폭을 주로 예측하며, $T_{cc}^+ \to D^0D^0\pi^+$ 가 가장 큰 폭임을 발견하여, 총 폭이 $59.7^{+4.6}_{-4.4}$ keV(단일 채널) 및 $46.7^{+2.7}_{-2.9}$ keV(이스피너 싱เก트렛)로, 절단값에 영향을 받지 않으며 사전 이스피너 할당 없이도 $|D^{*+}D^0\rangle$-지배적인 분자 상태를 지지한다.

ABSTRACT

Very recently, the LHCb Collaboration reported the doubly charmed tetraquark state $T_{cc}^+$ below the $D^{*+}D^0$ threshold about $273$ keV. As a very near-threshold state, its long-distance structure is very important. In the molecular scheme, we relate the coupling constants of $T_{cc}^+$ with $D^{*0}D^+$ and $D^{*+}D^0$ to its binding energy and mixing angle of two components with a coupled-channel effective field theory. With the coupling constants, we investigate the kinetically allowed strong decays $T_{cc}^+ o D^0D^0π^+$, $T_{cc}^+ o D^+D^0π^0$ and radiative decays $D^+D^0 γ$. Our results show that the decay width of $T_{cc}^+ o D^0D^0π^+$ is the largest one, which is just the experimental observation channel. Our theoretical total strong and radiative widths are in favor of the $T_{cc}^+$ as a $|D^{*+}D^0 angle$ dominated bound state. The total strong and radiative width in the single channel limit and isospin singlet limit are given as $59.7^{+4.6}_{-4.4} ext{ keV}$ and $46.7^{+2.7}_{-2.9} ext{ keV}$, respectively. Our calculation is cutoff-independent and without prior isospin assignment. The absolute partial widths and ratios of the different decay channels can be used to test the structure of $T_{cc}^+$ state when the updated experimental results are available.

연구 동기 및 목표

• 반드시 $D^{*+}D^0$ 임계값 이하에 위치한 $T_{cc}^+$ 테트라쿼크 상태의 장거리 구조를 규명하는 것.
• 연성채널 효과적 장 이론을 통해 $T_{cc}^+$ 의 $D^{*0}D^+$ 와 $D^{*+}D^0$ 성분에 대한 결합 상수를 그 결합 에너지와 혼합 각도에 연결하는 것.
• 이성질체 할당 없이도 운동론적으로 허용된 강한 붕괴($T_{cc}^+ \to D^0D^0\pi^+$, $D^+D^0\pi^0$)와 복사 붕괴($D^+D^0\gamma$)를 계산하는 것.
• 미래 실험 데이터로 $T_{cc}^+$ 의 구조를 검증할 수 있도록 부분 폭과 붕괴 비율에 대해 절단값에 의존하지 않는 예측을 제공하는 것.

제안 방법

• 연성채널 효과적 장 이론을 사용하여 $T_{cc}^+$ 의 결합 상수를 $D^{*+}D^0$ 와 $D^{*0}D^+$ 성분의 결합 에너지와 혼합 각도에 연결한다.
• 유니타리성과 이스피너 위반 형식을 적용하여 $T_{cc}^+$ 를 장거리 파이온 교환과 짧고 중간 거리 상호작용을 포함한 분자 상태로 모델링한다.
• 페인만 도형을 통해 강한 붕괴 진폭을 계산하며, 이슬립터미널 대칭성으로부터 유도된 $g_\pi \approx 11.9$ 를 사용하여 $D^{*+} \to D^+\pi^0$ 와 $D^{*0} \to D^0\pi^0$ 정점에 포함한다.
• 복사 붕괴 진폭을 계산하기 위해 $D^{*} \to D\gamma$ 정점은 $g_\gamma$ 로 매개변수화하며, $D^{*0}$ 폭은 40–80 keV 범위로 가정한다.
• 간섭항을 끄고 $\cos\theta, \sin\theta = 1$ 으로 설정하여 지배적인 도형을 식별하기 위해 부분 폭을 평가한다.
• 모든 물리적 입력에 대한 불확실성 추정을 수행하고 최종 결과의 절단값 독립성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 붕괴 패tern에 기반하여 $T_{cc}^+$ 상태의 지배적인 분자 성분은 $|D^{*+}D^0\rangle$ 인가, $|D^{*0}D^+\rangle$ 인가?
• RQ2 강한 상호작용 및 복사 붕괴 폭이 $T_{cc}^+$ 의 결합 에너지와 혼합 각도에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 $T_{cc}^+ \to D^0D^0\pi^+$, $D^+D^0\pi^0$, $D^+D^0\gamma$ 의 붕괴 폭 비율이 서로 다른 분자 구조를 구별할 수 있는가?
• RQ4 결과가 $D^{*0}$ 폭의 불확실성과 절단값 의존성에 대해 얼마나 강인한가?
• RQ5 이론적 예측은 LHCb 의 유니타리화된 브레잇-반스 분석과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• $T_{cc}^+ \to D^0D^0\pi^+$ 붕괴 폭은 모든 운동론적으로 허용된 강한 붕괴 중에서 가장 크며, 실험적으로 관측된 채널과 일치한다.
• 단일 채널 근사에서 총 강한 상호작용 및 복사 붕괴 폭은 $59.7^{+4.6}_{-4.4}$ keV 이며, 모든 채널을 포함할 경우 LHCb 가 관측한 $\Gamma \approx 410$ keV 와 일치한다.
• 이스피너 싱게트렛 근사에서 총 폭은 $46.7^{+2.7}_{-2.9}$ keV 로, LHCb 의 유니타리화된 브레잇-반스 결과인 $47.8 \pm 1.9$ keV 와 양호한 일치를 보인다.
• 강한 붕괴의 지배적인 도형은 (s_b) 로, 다른 도형보다 약 네 배 더 큰 기여를 하며, (r_b) 가 복사 붕괴에서 지배적이다.
• 결과는 절단값에 독립적이며 사전 이스피너 할당이 필요 없어 신뢰성과 모델 독립성이 향상된다.
• 부분 폭 비율과 절대 폭은 향후 $T_{cc}^+$ 분자 구조의 실험적 검증을 위한 명확한 시험대를 제공한다.