[논문 리뷰] Radiative transitions of charmonium states in a constituent quark model

Weijun Deng, Li-Ye Xiao외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 28.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions참고 문헌 54인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 구성 쿼크 모형을 사용하여 챸롬륨 상태의 전자기 복사 전이를 연구하며, 전기(E1) 및 자화(M2) 다극 전이를 모두 포함한다. E1 지배 과정에서 M2 간섭 효과가 뚜렷하게 나타나며, 더 높은 채널론륨 상태에 대한 정밀한 예측을 제공한다. 특히 X(3872)→ψ(2S)γ의 붕괴률 대비 X(3872)→J/ψγ의 붕괴률 비율이 약 4.0로 예측되며, BaBar 실험 결과와 일치하여 X(3872)가 χc1(2P)로 할당될 가능성을 뒷받침한다.

ABSTRACT

We study the electromagnetic (EM) transitions of the $nS$, $nP$ ($n\leq 3$), and $nD$ ($n\leq 2$) charmonium states with a constituent quark model. We obtain a reasonable description of the EM transitions of the well-established charmonium states $J/ψ$, $ψ(2S)$, $χ_{cJ}(1P)$, $h_c(1P)$ and $ψ(3770)$. We find that the M2 transitions give notable corrections to some E1 dominant processes by interfering with the E1 transitions. Our predictions of EM decay properties for the higher charmonium states are also presented and compared with other model predictions. In particular, we discuss the EM decay properties of some $"XYZ"$ states, such as $X(3823)$, $X(3872)$, $X(3915)$, $X(3940)$ and $X(4350)$ as conventional charmonium states. Assuming $X(3872)$ as the $χ_{c1}(2P)$ state, our predicted ratio $Γ[X(3872) o ψ(2S)γ]/Γ[X(3872) o J/ψγ]\simeq 4.0$ is consistent with BaBar's measurement.

연구 동기 및 목표

• 구성 쿼크 모형을 사용하여 채널론륨 상태의 전자기 전이를 신뢰할 만한 방식으로 기술하는 것.
• 최근 관측된 XYZ 상태, 특히 X(3872)에 대한 전통적 채널론륨 할당의 타당성을 검증하는 것.
• E1 지배 복사 붕괴에서 M2 전이가 차지하는 역할을 조사하는 것.
• 기존 상태를 초월한 고차원 및 고차 궤도 상태(nS, nP, nD)의 붕괴 특성을 예측하는 것.
• 모델 예측을 실험 데이터 및 다른 이론적 접근과 비교하여 X(3872), X(3823), X(3915), X(3940), X(4350)에 대해 분석하는 것.

제안 방법

• 채널론륨 상태의 내부 구조를 기술하기 위해 비상대론적 잠재력이 포함된 구성 쿼크 모형을 채택한다.
• 결합 잠재력의 영향을 반영하고 고차 다극 기여(예: M2)를 허용하는 특수한 전자기 전이 연산자를 사용한다.
• 쿼크 파동함수와 광자 결합에서 유도된 행렬 원소를 사용하여 복사 전이(E1, M2)의 부분 폭을 계산한다.
• 잘 알려진 상태들(예: J/ψ, ψ(2S))의 실험적 질량을 취하고, 비선형성, GI, SNR 잠재력 모형을 사용해 미확립 상태의 모델 예측 질량을 도출한다.
• 다른 잠재력 모형에 대응하는 세 가지 쿼크 모형 변종(QM1, QM2, QM3) 간의 예측을 비교한다.
• E1 및 M2 진폭 간의 간섭 계산을 수행하여 전이 확률에 대한 그들의 종합적 영향를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구성 쿼크 모형은 J/ψ, ψ(2S), χcJ(1P)와 같이 잘 알려진 채널론륨 상태의 전자기 붕괴를 정확하게 기술할 수 있는가?
• RQ2 M2 전이가 E1 지배 복사 붕괴에 얼마나 기여하는가? 그리고 예측된 분포비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 X(3872)를 χc1(2P)로 할당하는 것이 전자기 붕괴 데이터, 특히 ψ(2S)γ와 J/ψγ로의 붕괴 비율에 부합하는가?
• RQ4 아직 완전히 규명되지 않은 고차 채널론륨 상태(예: 2D, 3P, 3S)의 복사 전이에 대한 예측 부분 폭은 무엇인가?
• RQ5 X(3823), X(3915), X(3940), X(4350)와 같은 XYZ 상태에 대한 모델 예측은 다른 이론 모형과 실험 관측치와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 모델은 J/ψ, ψ(2S), χcJ(1P), hc(1P), ψ(3770)와 같이 잘 알려진 채널론륨 상태의 전자기 전이를 합리적으로 기술한다.
• M2 전이가 간섭을 통해 E1 지배 과정에 중요한 수정을 제공하며, 예측된 분포비율에 상당한 영향을 미친다(파괴적 간섭 및 강화 간섭 모두).
• X(3872)→ψ(2S)γ의 붕괴률 대비 X(3872)→J/ψγ의 붕괴률 비율이 약 4.0로 예측되며, BaBar 측정치와 양호하게 일치하여 X(3872)가 χc1(2P)로 할당될 가능성을 지지한다.
• 미확립 D-파동 상태인 ψ3(1D), ψ2(1D), ψ1(1D)에 대해 모델은 0.01 keV에서 몇 keV까지의 부분 폭을 예측하며, 다양한 잠재력 모형 간에 상당한 차이를 보인다.
• χc2(3P), χc1(3P), ηc2(2D)와 같은 고차 상태의 복사 붕괴에 대한 예측은 잠재력 모형의 선택(비선형성, GI, SNR)에 매우 민감하며, 부분 폭의 차이가 최대 2배까지 발생할 수 있다.
• ψ2(2D)→χc1(1P) 및 ηc2(2D)→hc(1P) 전이에 대해 M2 기여가 비영이 아니며, M2 폭은 최대 10 keV까지 도달하여 고차 다극 효과가 무시할 수 없음을 시사한다.