[논문 리뷰] Some insights into the newly observed $Z_c(4100)$ in $B^0 o η_c K^+ π^-$ by LHCb

Q. Zhao|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 $B^0 \to \eta_c K^+ \pi^-$ 붕괴에서 새로 관측된 $Z_c(4100)$ 공명의 성격을 조사하며, 이는 $D^*\bar{D}^*$ 분자의 최종 상태 상호작용 또는 $P$-파 공명에서 기인할 수 있다고 제안한다. 주요 결과는 $Z_c(4100)$의 중성자 파artner가 $P$-파 상태로 존재한다면, 이는 이국적인 양자수 $I^G(J^{PC}) = 1^-(1^{-+})$를 가지며, $Z_c(4020)$와의 역학적 연결 고리를 제공한다는 것이다.

ABSTRACT

The newly reported exotic signal $Z_c(4100)$ by the LHCb Collaboration in the invariant mass spectrum of $η_cπ^-$ in $B^0 o η_c K^+ π^-$ has been a new experimental evidence for an exotic meson containing four constituent quarks. Although the present experimental information is very limited, we show that its correlations with some existing exotic candidates can be recognized. This signal can be either caused by final state interaction effects or a $P$-wave resonance state arising from the $D^*\bar{D}^*$ interaction. For the latter option its neutral partner will have exotic quantum numbers of $I^G(J^{PC})=1^-(1^{-+})$. This signal, if confirmed, would provide important clues for dynamics for producing multiquark systems in $B$ meson decays and $e^+e^-$ annihilations.

연구 동기 및 목표

• 최근 관측된 $B^0 \to \eta_c K^+ \pi^-$ 붕괴에서의 $Z_c(4100)$ 공명의 성격을 명확히 하기 위해.
• $Z_c(4100)$가 최종 상태 상호작용에서 기인하는지 아니면 진정된 $P$-파 공명 상태에서 기인하는지 판단하기 위해.
• $Z_c(4100)$의 중성자 파artner의 양자수와 붕괴 채널을 특정하기 위해, 특히 그 이색적인 $J^{PC}$ 양자수를 중심으로.
• 공명의 구조를 확인하기 위한 향후 실험 채널을 제안하기 위해, 특히 $e^+e^-$ 결합 반응에서.

제안 방법

• $B^0 \to \eta_c K^+ \pi^-$에서 $\eta_c\pi^-$의 진동 질량 스펙트럼을 분석하여, $4096 \pm 20^{+18}_{-22}$ MeV에서 공명을 식별하고, 너비는 $152 \pm 58^{+60}_{-35}$ MeV로 추정한다.
• 두 가지 메커니즘을 고려한다: $S$-파 $D^*\bar{D}^*$ 산란에 의한 최종 상태 상호작용 또는 $D^*\bar{D}^*$ 상호작용에서 기인하는 진정된 $P$-파 공명.
• 이소스핀과 스핀-플레이버 결합 분석을 통해 파이온 교환 포텐셜의 부호를 결정하여, $I=1$, $J^{PC}=1^{-+}$ 구성에서 흡인을 선호함을 밝힌다.
• $I=1$ 및 $J^{PC}=1^{-+}$ 조건을 가진 $D^*\bar{D}^*$ 상호작용을 사용하여 $Z_c(4100)$와 일치하는 공명 상태를 모델링한다.
• $Z_c(4020)$ 및 $Z_c(3900)$과 같은 알려진 상태들과의 비교를 통해 양자수와 생성 역학의 일관성을 평가한다.
• $D\bar{D}\pi$, $D\bar{D}\pi\pi$, $\rho D\bar{D}^{(*)}$ 최종 상태를 통해 $I=1$ 채론늄 유사 상태를 탐색하기 위해, $\sqrt{s} \approx 4.43$ 및 $4.66$ GeV에서의 향후 $e^+e^-$ 결합 반응 실험을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $Z_c(4100)$ 공명이 진정된 공명이 아니라면, $D^*\bar{D}^*$ 최종 상태 상호작용에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 만약 $Z_c(4100)$이 $P$-파 $D^*\bar{D}^*$ 상호작용에서 기인한다면, 그 중성자 파artner의 양자수는 무엇인가?
• RQ3 $Z_c(4100)$ 상태는 $e^+e^- \to h_c\pi\pi$ 및 $D^*\bar{D}^*\pi$에서 관측된 $Z_c(4020)$ 공명과 일관하는가?
• RQ4 $S$-파 $D^*\bar{D}^*$ 상호작용이 $I^G(J^{PC}) = 1^-(0^{+})$ 상태 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 $I=1$ 채론늄 유사 상태를 감지하는 데 가장 민감한 $e^+e^-$ 결합 반응 채널은 무엇인가? ($J^P = 0^+, 1^-, 1^+, 2^+$)

주요 결과

• $4096 \pm 20^{+18}_{-22}$ MeV에서 너비 $152 \pm 58^{+60}_{-35}$ MeV인 $Z_c(4100)$ 공명은 $I^G(J^{PC}) = 1^-(1^{-+})$ 조건을 가진 $P$-파 $D^*\bar{D}^*$ 공명과 일치한다.
• 만약 중성자 파artner가 $P$-파 공명으로 존재한다면, 이는 이색적인 양자수 $I^G(J^{PC}) = 1^-(1^{-+})$를 가지며, 일반 상태와 구별된다.
• $C$-대칭 선택 규칙에 따라 $I=1$, $J^{PC}=1^{-+}$ 조건에서 $S$-파 $D^*\bar{D}^*$ 상호작용는 배제되나, $P$-파 결합은 허용된다.
• $I=1$, $J^{PC}=1^{-+}$ 조건을 가진 $P$-파 $D^*\bar{D}^*$ 시스템은 파이온 교환를 통해 흡인 상호작용을 예측하여 공명 형성에 기여한다.
• $Z_c(4100)$ 공명은 진정된 $I=1$, $J^{PC}=1^{-+}$ 상태일 가능성이 낮지만, $P$-파 공명 또는 최종 상태 상호작용 효과일 수 있다.
• $\sqrt{s} \approx 4.43$ 및 $4.66$ GeV에서의 향후 $e^+e^-$ 실험, 특히 $D\bar{D}\pi$, $D\bar{D}\pi\pi$, $\rho D\bar{D}^{(*)}$ 채널은 상태의 양자수를 확인하는 데 핵심적이다.