[論文レビュー] Charmed Baryon Spectroscopy from Lattice QCD with $N_f=2+1+1$ flavors

Raúl A. Briceño, Daniel R. Bolton+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2011

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 3

ひとこと要約

このラティスQCD研究では、$N_f=2+1+1$ 動的フェルミオンを用い、charmクォークに相対論的重クォーク作用法を適用し、HISQの海クォークを用いて、charmバリオンスペクトルを計算している。未発見の二重および三重charmバリオンの質量を予測しており、$ abla_{cc}$状態がSELEX測定値より1.9σ高いことが判明し、その観測の実験的確認の必要性を示唆している。

ABSTRACT

We present preliminary results of the calculation of the positive-parity ground state charm baryon spectrum using of N_f=2+1+1$ dynamical quarks. The calculation uses a relativistic heavy-quark action for the valence charm quark, clover-Wilson fermions for the valence light quarks and HISQ sea quarks. The spectrum is calculated with a lightest pion mass around 220 MeV and two lattice spacings ($a\sim0.12$ fm and 0.09 fm) are used to extrapolate to continuum limit. Our preliminary results are consistent with the currently measured baryon spectrum, except for the isospin-averaged $J=1/2$ $Ξ_{cc}$ which is approximately $2 σ$ above the SELEX observed value. We predict the yet-to-be-discovered double and triple-charm baryons $Ξ_{cc}^*$, $Ω_{cc}$, $Ω_{cc}^*$, $Ω_{ccc}$ to have masses 3665(42)(29) MeV, 3694(40)(45) MeV, 3739(35)(21) MeV and 4782(24)(28) MeV, respectively.

研究の動機と目的

• 未閉じのラティスQCDを用いて、$N_f=2+1+1$ 動的クォークを伴う正パリティの基底状態charmバリオンのスペクトルを計算すること。
• 調整されたパrameter $m_0$, $\nu$, $c_B$, $c_E$ を用いた相対論的重クォーク作用法により、charm系における離散化誤差を低減すること。
• 2つの格子間隔（$a \sim 0.12$ fm と $0.09$ fm）と2つのパイオン質量（$m_\pi \sim 220$ MeV と $310$ MeV）を用いて、物理点への外挿を実行すること。
• 特にSELEXによる$\Xi_{cc}^+$状態の観測と整合性を検証し、未発見の二重および三重charmバリオンの質量を予測すること。
• BEPCII、LHC、PANDAでの実験に第一原理的な理論的入力を提供するため、制御された系誤差を伴う連続体極限スペクトルを計算すること。

提案手法

• UVノイズを低減するため、HYPスムージングを施したゲージ配置をMILC共同研究から使用。$N_f=2+1+1$ HISQの海クォークを用いている。
• 軽クォーク（u, d, s）にはクローヴァー・ワイルズフェルミオンを、charmの外縁クォークには相対論的重クォーク作用法を用い、$\mathcal{O}((m_c a)^n)$ 離散化誤差を抑制する。
• パrameter $m_0$, $\nu$, $c_B$, $c_E$ を非摂動的に調整し、$\eta_c$ および $J/\psi$ の分散関係と、$m_{\overline{1S}}/m_\Omega$ の比を実験値0.084に一致させる。
• 物理点への外挿を可能にするため、2つの格子間隔と2つの軽クォーク質量で計算を実施し、$m_\pi^2/m_\Omega^2$ と $a^2$ における線形フィットを用いる。
• 点源とガウススムージング源を用い、2点相関関数からハドロン質量を抽出。ジャックナイフ誤差推定と二重指数フィットを用いて検証を実施。
• 連続体外挿手順として、まず$am_c$における補間で物理のcharmクォーク質量に至り、その後$ m_\pi^2 $ と $ a^2 $ における外挿を実行する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラティスQCDによるcharmバリオンスペクトル計算は、3520 MeVで観測されたSELEXによる$\Xi_{cc}^+$状態とどのように一致するか？
• RQ2 未発見の二重および三重charmバリオン$\Xi_{cc}^*$、$\Omega_{cc}$、$\Omega_{cc}^*$、$\Omega_{ccc}$ の予測質量は何か？
• RQ3 charm系における離散化効果はスペクトルにどの程度影響を及ぼし、相対論的重クォーク作用法によりどの程度制御できるか？
• RQ4 計算によるcharmoniumハイパーファイン分裂とD中間子質量は実験とどのように一致するか？これは計算の信頼性に何を示唆するか？
• RQ5 他のcharmバリオンの実験スペクトルと比較して、$\Xi_{cc}$の不一致はどの程度整合性を示すか？

主な発見

• 計算された$\Xi_{cc}$バリオンの質量は、SELEXの実験的測定値3520 MeVよりも1.9σ高い。これは顕著な不一致を示しており、SELEX観測の実験的確認が求められる可能性を示唆している。
• $\Xi_{cc}^*$バリオンの予測質量は3665(42)(29) MeVであり、統計誤差とフィッティング窓の誤差を含む。
• $\Omega_{cc}$バリオンの質量は3694(40)(45) MeVと予測され、charmバリオンの期待される質量順序と整合的である。
• $\Omega_{cc}^*$状態の質量は3739(35)(21) MeVと予測され、スピン依存相互作用と整合的な質量分裂を示している。
• $\Omega_{ccc}$バリオンの質量は4782(24)(28) MeVと予測され、二重charmバリオンと比べて顕著に重い。
• 計算されたcharmiumハイパーファイン分裂は$\Delta_{1S} = 111.0(5.5)(6.6)$ MeVであり、実験値116 MeVとよく一致しており、手法の信頼性が裏付けられている。