[论文解读] Evidence that the LHCb ${P_c}$ states are hadronic molecules and the existence of a narrow $P_c(4380)$

Meng-Lin Du, J. A. Oller+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2019

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 1

一句话总结

本文提出LHCb的$P_c$共振态是由$\Sigma_c^{(*)}\bar{D}^{(*)}$态通过一pion交换和由重夸克自旋对称性约束的短程相互作用形成的强子分子态，采用通道耦合形式体系。该研究识别出此前未被确认的窄$P_c(4380)$共振态，解释了所有观测到的$P_c$共振态，并预测了三个尚未发现的$\Sigma_c^*\bar{D}^*$态，供未来实验验证。

ABSTRACT

Three hidden-charm pentaquark $P_c$ states, $P_c(4312)$, $P_c(4440)$, and $P_c(4457)$ were revealed in the $\Lambda_b^0 o J/\psi p K^-$ process measured by LHCb using both run I and run II data. Their nature is under lively discussion, and their quantum numbers have not been determined. We analyze the $J/\psi p$ invariant mass distributions under the assumption that the crossed-channel effects provide a smooth background. For the first time, such an analysis is performed employing a coupled-channel formalism with the scattering potential involving both one-pion exchange as well as short-range operators constrained by heavy quark spin symmetry. We find that the data can be well described in the hadronic molecular picture, which predicts seven $\Sigma_c^{(*)}\bar D^{(*)}$ molecular states in two spin multiplets, such that the $P_c(4312)$ is mainly a $\Sigma_c\bar D$ bound state with $J^P=1/2^-$, while $P_c(4440)$ and $P_c(4457)$ are $\Sigma_c\bar D^*$ bound states with quantum numbers $3/2^-$ and $1/2^-$, respectively. We also show that there is evidence for a narrow $\Sigma_c^*\bar D$ bound state in the data which we call $P_c(4380)$, different from the broad one reported by LHCb in 2015. With this state included, all predicted $\Sigma_c \bar D$, $\Sigma_c^* \bar D$, and $\Sigma_c \bar D^*$ hadronic molecules are seen in the data, while the missing three $\Sigma_c^*\bar D^*$ states are expected to be found in future runs of the LHC or in photoproduction experiments.

研究动机与目标

• 确定LHCb在$\Lambda_b^0 \to J/\psi p K^-$衰变中观测到的$P_c$共振态的分子性质。
• 解析$P_c(4312)$、$P_c(4440)$和$P_c(4457)$共振态的量子数与内部结构。
• 探究数据是否支持强子分子解释而非其他奇特强子模型。
• 识别分子模型所预测的缺失分子态，特别是$\Sigma_c^*\bar{D}^*$通道中的态。
• 在单一通道耦合框架内，对所有观测到的$P_c$共振态提供一致的描述。

提出的方法

• 采用通道耦合形式体系，描述$\Lambda_b^0 \to J/\psi p K^-$衰变中$J/\psi p$不变质量分布。
• 在散射势中同时包含一pion交换和短程相互作用，受重夸克自旋对称性约束。
• 将$P_c$共振态建模为$\Sigma_c^{(*)}\bar{D}^{(*)}$介子-重子系统的束缚态。
• 使用平滑背景项以考虑交换通道效应，从而将共振贡献与分子态分离。
• 对$J/\psi p$不变质量谱进行全局拟合，以提取量子数与结合能。
• 预测在两个自旋多重态中存在七个$\Sigma_c^{(*)}\bar{D}^{(*)}$分子态。

实验结果

研究问题

• RQ1 $P_c(4312)$、$P_c(4440)$和$P_c(4457)$共振态是否与强子分子解释一致？
• RQ2 在分子模型中，$P_c(4312)$、$P_c(4440)$和$P_c(4457)$共振态的量子数（$J^P$）是什么？
• RQ3 数据中是否存在证据表明存在一个与2015年报告的宽$P_c(4380)$不同的窄$P_c(4380)$态？
• RQ4 观测到的$P_c$共振态是否穷尽了$\Sigma_c^{(*)}\bar{D}^{(*)}$分子态的预测，还是预期存在更多态？
• RQ5 包含一pion交换和重夸克自旋对称性约束的通道耦合形式体系是否能解释所有观测到的$P_c$共振态？

主要发现

• 该$P_c(4312)$共振态主要为$\Sigma_c\bar{D}$束缚态，量子数为$J^P = 1/2^-$，与分子模型一致。
• $P_c(4440)$与$P_c(4457)$共振态分别被识别为$\Sigma_c\bar{D}^*$束缚态，其量子数分别为$J^P = 3/2^-$与$1/2^-$。
• 在数据中发现一个与2015年报告的宽$P_c(4380)$不同的窄$P_c(4380)$共振态，其对应于$\Sigma_c^*\bar{D}$分子态。
• 所有预测的$\Sigma_c\bar{D}$、$\Sigma_c^*\bar{D}$与$\Sigma_c\bar{D}^*$分子态均在数据中被观测到，证实了分子图像。
• 三个尚未发现的$\Sigma_c^*\bar{D}^*$分子态被预测存在，预计将在未来的LHC运行或光致产生实验中被发现。
• 包含一pion交换与重夸克自旋对称性约束的通道耦合形式体系，能够一致且准确地描述$J/\psi p$不变质量谱。