[논문 리뷰] Strong decay patterns of the hidden-charm tetraquarks

Li Ma, Wei-Zhen Deng외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 07.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 헤비 쿼크 대칭 근사에서 색스핀 재배열 체계를 사용하여 은닉-charm 테트라쿼크의 강한 붕괴 패턴을 조사한다. 분자의 상태인 $Y(4260)$와 같은 경우 $J/\psi\pi\pi$ 붕괴 모드가 강하게 억제됨을 발견하였고, 하이브리드 케이론 및 테트라쿼크 상태는 열린 쿼크 모드를 선호하는 유사한 붕괴 패턴을 보임을 확인하였다. 이 결과는 $Y(4260)$와 $Z_c(4020)$의 분자 해석을 도전하며, 대신 테트라쿼크 또는 하이브리드 구조를 제안한다.

ABSTRACT

With the spin rearrangement, we have performed a comprehensive investigation of the decay patterns of the S-wave tetraquarks and P-wave tetraquarks where the P-wave excitation exists either between the diquark and anti-diquark pair or inside the diquark. Especially, we compare the decay patterns of $Y(4260)$ with different inner structures such as the conventional charmonium, the molecule, the P-wave tetraquark and the hybrid charmonium. We notice the $J/ψππ$ mode is suppressed in the heavy quark symmetry limit if $Y(4260)$ is a molecular state. Moreover the hybrid charmonium and hidden-charm tetraquark have very similar decay patterns. Both of them decay into the $J/ψππ$ and open charm modes easily. We also discuss the decay patterns of $X(3872)$, $Y(4360)$, and several charged states such as $Z_c(4020)$. The $h_cπ^{\pm}$ decay mode disfavors the tetraquark assumption of $Z_c(4020)$.

연구 동기 및 목표

• S-파와 P-파 은닉-charm 테트라쿼크의 강한 붕괴 패턴을 헤비 쿼크 대칭 근사에서 스핀 재배열을 통해 조사하기.
• 예외적인 케이론-유사 상태인 $Y(4260)$, $X(3872)$, $Z_c(4020)$에 대한 분자, 테트라쿼크, 하이브리드 케이론 해석을 구분하기.
• 양자수와 색스핀 구조에 기반해 허용되거나 억제되는 붕괴 모드를 규명하기.
• 붕괴 행동을 통해 XYZ 상태의 내부 구조를 식별하는 프레임워크 제공하기.

제안 방법

• 헤비 쿼크 대칭 조건에서 색스핀 재배열 체계를 적용하여, 헤비 쿼크 스핀, 경량 쿼크 스핀, 파리티, C 및 G 대칭을 유지한다.
• 테트라쿼크를 두 유형으로 분류: 디쿠아크-아nt디쿠아크 쌍 사이의 P-파 진동 또는 한 디쿠아크 내부의 진동.
• 군 이론과 대칭 선택 규칙을 사용하여 다양한 양자수 구성에 대한 허용 붕괴 채널을 결정한다.
• 분자, 테트라쿼크, 하이브리드 케이론 가정 하에서 $Y(4260)$의 붕괴 패턴을 비교한다.
• $J/\psi\pi\pi$, $h_c\pi$, $\chi_{c0}\rho$, $\chi_{c1}\rho$, 열린 쿼크 모드의 붕괴 폭과 분포율을 평가한다.
• Belle, LHCb, CDF의 실험 데이터를 분석하여 이론 모델을 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 헤비 쿼크 대칭 근사에서 분자 상태로 간주될 경우, 왜 $Y(4260)$의 $J/\psi\pi\pi$ 붕괴 모드가 억제되는가?
• RQ2 하이브리드 케이론과 은닉-charm 테트라쿼크의 붕괴 패턴은 어떻게 유사하며, 이는 그들의 식별에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ3 $Z_c(4020)$의 $h_c\pi$ 붕괴 모드가 테트라쿼크 해석을 배제할 수 있는가?
• RQ4 테트라쿼크 모델 하에서 $Y(4360)$에 대해 허용되는 붕괴 모드는 무엇이며, 관측된 $\psi(2S)\pi^+\pi^-$ 붕괴와 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ5 왜 $Y(4260)$에서는 열린 쿼크 붕괴가 관측되지 않으며, 이는 분자 가설에 어떤 도전이 되는가?

주요 결과

• 헤비 쿼크 대칭 근사에서 $D_0\bar{D}^*$, $D_1\bar{D}^*$ 또는 유사 구성으로 이루어진 분자 상태인 $Y(4260)$의 $J/\psi\pi^+\pi^-$ 붕괴 모드는 강하게 억제된다.
• 하이브리드 케이론과 은닉-charm 테트라쿼크는 매우 유사한 붕괴 패턴을 보이며, 둘 다 $J/\psi\pi\pi$와 열린 쿼크 모드를 선호한다.
• 만약 $Z_c(4020)$가 $1^{+-}$ 양자수를 가지며 $280_{cs}$ 색스핀 표현에 속하는 테트라쿼크일 경우, $h_c\pi^\pm$ 붕괴 모드는 금지되며, 이는 테트라쿼크 가설을 불리하게 한다.
• $Y(4360)$의 경우, $J/\psi\sigma$, $J/\psi f_0(980)$, $\psi(2S)\sigma$, $\psi(2S)f_0(980)$ 모드는 헤비 쿼크 대칭 근사에서 억제되며, 이는 이가 유형 I의 $1^{--}$ 등스칼라 테트라쿼크일 가능성이 있음을 시사한다.
• $h_c\eta$ 붕괴 모드는 오직 $0^{-}(1^{--})\{^1P_1\}$ 테트라쿼크 상태에서 허용되며, 이는 $Y(4360)$의 양자수를 식별하는 잠재적 기준이 된다.
• $Z_c(4200)^+$의 큰 붕괴 폭(~370 MeV)과 $J/\psi\pi^+$ 붕괴 모드는 분자 모델과 부합하지 않지만, $35_{cs}$ 색스핀 표현에 속한 $1^{+-}$ 테트라쿼크 모델과 일치한다.