[論文レビュー] Discovery of the doubly charmed $T_{cc}^+$ state implies a triply charmed $H_{ccc}$ hexaquark state

Tian-Wei Wu, Ya-Wen Pan+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2021

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、最近発見された二重charmの$T_{cc}^+$状態が$DD^*$分子状態と整合することから、$DDD^*$結合状態としての三重charmの$H_{ccc}$ヘキサクォーク状態の存在を提案している。OBEモデルに基づく$DD^*$相互作用を$T_{cc}^+$の結合エネルギーで制約し、ガウス展開法を用いて計算した結果、結合エネルギーが数100keV程度の$1^{-}$ $DDD^*$結合状態が存在することが判明した。この状態は$DDD\pi$および$DDD\gamma$モードを通じて崩壊し、LHCbで検出可能である可能性がある。

ABSTRACT

The doubly charmed exotic state $T_{cc}$ recently discovered by the LHCb Collaboration could well be a $DD^{*}$ molecular state long predicted in various theoretical models, in particular, the $DD^*$ isoscalar axial vector molecular state predicted in the one-boson-exchange model. In this work, we study the $DDD^*$ system in the Gaussian Expansion Method with the $DD^*$ interaction derived from the one-boson-exchange model and constrained by the precise binding energy of $273\pm63$ keV of $T_{cc}$ with respect to the $D^{*+}D^0$ threshold. We show the existence of a $DDD^*$ state with a binding energy of a few hundred keV and spin-parity $1^-$. Its main decay modes are $DDDπ$ and $DDDγ$. The existence of such a state could in principle be confirmed with the upcoming LHC data and will unambiguously determine the nature of the $T_{cc}^+$ state and of the many exotic state of similar kind, thus deepening our understanding of the non-perturbative strong interaction.

研究の動機と目的

• 最近発見された$T_{cc}^+$状態が$DD^*$分子状態として解釈される場合、それより重い$DDD^*$結合状態が存在するかどうかを調査すること。
• ガウス展開法を用いて、三重charmの$H_{ccc}$ヘキサクォーク状態の存在と量子数を特定すること。
• $T_{cc}^+$の正確に測定された結合エネルギー273 \pm 63 keVを用いて、$DD^*$相互作用を制約すること。
• LHCbでの実験的検出が可能な$H_{ccc}$状態の主要な崩壊モードを特定すること。

提案手法

• ハミルトニアンに運動エネルギーおよび二体$DD^*$、$DD$、$DD^*$相互作用を含む三体$DDD^*$シュレーディンガー方程式を解くために、ガウス展開法が適用された。
• $DD^*$相互作用は、一ボソン交換（OBE）モデルから導出され、$T_{cc}^+$の結合エネルギーが$D^{*+}D^0$閾値に対してどのように影響を受けるかを考慮して制約された。
• 収束性と結合エネルギーの計算を達成するために、カットオフパラメータ$\Lambda = 976$, $998$, および$1013$ MeVを用いたガウス基底展開が用いられた。
• 結合に与える影響を評価するために、$I=1/2$, $I_3=1/2$成分（二重正電荷）の$DDD^*$系にクーロン相互作用が含められた。
• $H_{ccc}$状態は、弱く結合した$DT_{cc}$系としてモデル化され、$T_{cc} \to DD\pi$の崩壊ダイナミクスに基づいて$DDD\pi$および$DDD\gamma$の崩壊チャネルが検討された。
• 異なるカットオフおよびアイソスピンチャネルにおける結合エネルギー、平均二乗半径、およびハミルトニアン期待値の評価が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $T_{cc}^+$状態が$DD^*$分子状態であるならば、$DDD^*$結合状態が存在するという示唆はあるか？
• RQ2 予測された$H_{ccc}$ヘキサクォーク状態の量子数と結合エネルギーは何か？
• RQ3 クーロン相互作用は、二重正電荷の$I=1/2$, $I_3=1/2$ $DDD^*$状態の結合にどのように影響を与えるか？
• RQ4 $H_{ccc}$状態の主要な崩壊モードは何か？ そして、それらはLHCbで実験的に検出可能か？
• RQ5 $H_{ccc}$状態の存在が、$T_{cc}^+$の分子的性質を決定的なテストとして果たせるか？

主な発見

• $\Lambda = 976$ MeVで約0.37 MeV、$\Lambda = 1013$ MeVで2.27 MeVに達する結合エネルギーを有するスピンパリティ$1^{-}$の$DDD^*$結合状態が予測された。
• 二重正電荷の$I=1/2$, $I_3=1/2$ $DDD^*$状態の結合エネルギーはクーロン反発によって低下するが、依然として結合しており、$\Lambda = 976$, $998$, $1013$ MeVでそれぞれ0.15 MeV、0.80 MeV、1.61 MeVの値を示した。
• $H_{ccc}$状態は、LHCbが観測した$T_{cc} \to DD\pi$の崩壊ダイナミクスに基づき、主に$DDD\pi$および$DDD\gamma$の最終状態へと崩壊すると予想される。
• $\Lambda = 976$ MeVで$DD^*$ペアの平均二乗半径は約8.2 fmであり、緩い分子的構造を示している。
• $H_{ccc} \to DDD\pi$の生成断面積は、$T_{cc} \to DD\pi$の約1桁小さいが、将来的なLHCb実験で検出可能であると推定された。
• 本研究は、$H_{ccc}$状態が$T_{cc}^+$の分子的性質を検証するための重要で非自明なテストを提供すると結論づけ、その発見は$DD^*$相互作用モデルの裏付けとなるだろう。