[논문 리뷰] The nature of charged charmonium-like states $Z_c(3900)$ and its strange partner $Z_{cs}(3982)$

M. C. Du, Qian Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 18.

Molecular spectroscopy and chiralityChemistry인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 SU(3) flavor 대칭성과 고립 쿼크 스핀 대칭성을 갖는 효과적인 장 이론 프레임워크를 사용하여 $Z_c(3900)$ 및 그의 스트레인지 파artner인 $Z_{cs}(3982)$의 성격을 조사한다. $e^+e^-$ 결합에서의 진동 질량 및 잭슨 각도 분포를 분석함으로써, 진정한 극 구조(결합 상태 또는 가상 상태를 나타내는)를 규명하여 $Z_c(3900)$과 $Z_{cs}(3982)$가 모두 동적으로 생성된 하드론 분자임을 확인한다. 특히 $Z_{cs}(3982)$는 $S$-파 개방 임계값에 매우 민감하다.

ABSTRACT

The observation of $Z_{cs}(3985)$ by BESIII in the $D_s^{*-}D^0$ and $D_s^{-}D^{*0}$ channel adds important dynamic information for a coherent understanding of both $Z_c(3900)$ and $Z_c(4020)$, as well as their strange partners $Z_{cs}(3985)$ and $Z_{cs}(4120)$, on the basis of heavy quark spin symmetry. With an overall short-ranged contact potential in SU(3) flavor symmetry we show that the pole structures can be extracted from the experimental data. Meanwhile, we show the key role played by the $S$-wave open thresholds in $e^+e^-$ annihilations which are correlated with the production of these $Z$ states in a hadronic molecule picture. Implications of their scalar heavy quark spin partners $W_{c0,1,2}$ and $W_{cs0,1,2}$ are also gained.

연구 동기 및 목표

• BESIII에서의 실험 데이터를 사용하여 $Z_c(3900)$과 $Z_{cs}(3982)$의 동적 성격을 규명하는 것.
• 복소 에너지 평면에서 극의 구조 분석을 통해 이들 상태가 결합 상태, 가상 상태, 또는 공명 상태인지를 평가하는 것.
• $e^+e^-$ 결합에서의 $S$-파 개방 임계값이 이 이례적인 상태들을 생성하는 데 미치는 역할을 탐색하는 것.
• 미래 실험적 탐색을 위해 고립 쿼크 스핀 대칭성의 파artner인 $W_{c0,1,2}$와 $W_{cs0,1,2}$의 존재와 성질을 예측하는 것.

제안 방법

• 단거리 접촉 상호작용을 갖는 효과적인 장 이론을 사용하여 하드론 분자의 동역학을 모델링하는 것.
• SU(3) flavor 대칭성과 고립 쿼크 스핀 대칭성을 적용하여 채론늄 유사 상태와 그의 스트레인지 파artner를 연결하는 것.
• $e^+e^-$ 데이터로부터의 진동 질량 및 잭슨 각도 분포를 피팅하여 $S$-파 및 $D$-파 채널에서의 생성 진폭을 추출하는 것.
• $D\bar{D}^*$, $D_s\bar{D}^{*}$ 및 관련 채널에서의 $S$-파 개방 임계값을 극의 위치에 대한 핵심 제약 조건으로 사용하는 것.
• 복소 에너지 평면에서의 극의 구조를 분석하여 결합 상태, 가상 상태, 공명 상태를 구분하는 것.
• 대칭성과 극 행동에 기반하여 $J/\psi\pi\pi$ 및 $\eta_c\pi$와 같은 붕괴 채널을 예측함으로써 고립 쿼크 스핀 파artner인 $W_{c0,1,2}$와 $W_{cs0,1,2}$의 붕괴 채널을 예측하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $Z_c(3900)$과 $Z_{cs}(3982)$가 복소 에너지 평면에서 진정한 극의 구조를 보이며, 이는 운동학적 아티팩트가 아님을 의미하는가?
• RQ2 $e^+e^-$ 결합에서의 $S$-파 개방 임계값이 이 이례적인 상태들의 생성과 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 동일한 동역학적 메커니즘이 $Z_c(3900)$과 $Z_{cs}(3982)$ 및 그들의 스핀 파artner를 모두 설명할 수 있는가?
• RQ4 데이터로부터 추출한 극의 위치에 기반하여 $Z_c(3900)$과 $Z_{cs}(3982)$ 상태의 성격(결합, 가상, 또는 공명)은 무엇인가?
• RQ5 $W_{c0,1,2}$와 $W_{cs0,1,2}$의 성질은 무엇이며, 어떻게 실험적으로 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• $Z_c(3900)$ 상태는 진정한 상태로 확인되었으며, 최적 피팅 기법(Scheme III)에서 결합 에너지가 75.2 MeV로 나타나 깊은 가상 또는 결합 상태임을 시사한다.
• $Z_{cs}(3982)$ 상태는 진정한 상태로 존재함이 밝혀졌으며, $D_s\bar{D}^{*}$ 임계값 위에 뚜렷한 극의 구조를 보이며, 가상 상태 또는 결합 상태일 수 있다.
• $e^+e^-$ 결합에서의 $S$-파 개방 임계값은 관측된 $Z_c$ 및 $Z_{cs}$ 신호를 생성하는 데 핵심적인 역할을 하며, 삼각형 특이성 메커니즘과 일관된다.
• 고립 쿼크 스핀 대칭성의 파artner인 $W_{cs0}$는 결합 상태로 예측되며, 결합 에너지가 31.8 MeV로, $J/\psi K\pi$ 및 $\eta_c K$ 붕괴 채널에서 관측 가능하다.
• $W_{c0}$와 $W_{cs0}$ 상태는 모든 기법에서 결합 상태로 나타났으며, $W_{c0}$는 Scheme I에서 결합 에너지가 0.3 MeV, Scheme III에서 47.0 MeV로 나타났다.
• $\sqrt{s} = 4.68$ GeV에서 $e^+e^- \to K^+ D_s^{*-} D^{*0}$의 누락된 케이톤 스펙트럼 예측은 피팅 기법 간에 뚜렷한 선형형태의 차이를 보이며, $Z_{cs}(4120)$가 진정한 상태임을 뒷받침한다.