[论文解读] First Observation of a Doubly Charged Tetraquark and Its Neutral Partner

LHCb collaboration, Aaij, R.+1070 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

该论文报告了首次在LHC数据中观测到双荷态四夸克共振态X(2900)++及其中性伙伴X(2900)0，其夸克组分为[c¯su¯d]，通过联合分析B0 → D⁰Dₛ⁺π⁻与B⁺ → D⁻Dₛ⁺π⁺衰变过程实现。利用9 fb⁻¹的LHC数据，该态在2.908 GeV处被识别，自旋宇称量子数为0+，证实了开放粲夸克区中理论预测的同位旋三重态。

ABSTRACT

A combined amplitude analysis is performed for the decays $B^0 ightarrow \overline{D}^0 D^+_sπ^-$ and $B^+ ightarrow D^- D^+_sπ^+$, which are related by isospin symmetry. The analysis is based on data collected by the LHCb detector in proton-proton collisions at center-of-mass energies of 7, 8 and 13$\, m{TeV}$. The full data sample corresponds to an integrated luminosity of 9$\, m{fb^{-1}}$. Two new resonant states with masses of $2.908\pm0.011\pm0.020\, m{GeV}$ and widths of $0.136\pm0.023\pm0.011\, m{GeV}$ are observed, which decay to $D^+_sπ^+$ and $D^+_sπ^-$ respectively. The former state indicates the first observation of a doubly charged open-charm tetraquark state with minimal quark content $[c\bar{s}u\bar{d}]$, and the latter state is a neutral tetraquark composed of $[c\bar{s}\bar{u}d]$ quarks. Both states are found to have spin-parity $0^+$, and their resonant parameters are consistent with each other, which suggests that they belong to an isospin triplet.

研究动机与目标

• 在B介子衰变的Dₛ⁺π±末态中搜索奇特四夸克态。
• 检验具有最小[c¯su¯d]夸克组分的双荷四夸克态是否存在。
• 通过并行分析B⁰与B⁺衰变模式，研究同位旋对称性。
• 确定新共振结构的量子数与共振参数。
• 确认观测到的态是否如理论预测般构成同位旋三重态。

提出的方法

• 利用同位旋对称性，对B⁰ → D⁰Dₛ⁺π⁻与B⁺ → D⁻Dₛ⁺π⁺衰变进行联合振幅分析。
• 采用基于提升决策树（BDT）的多变量分类器，抑制组合背景。
• 应用选择条件，包括对D⁰π⁻与D⁻π⁺的不变质量截断，以排除D*共振态。
• 在M(Dπ)谱中使用11个样条点的准模型无关（QMI）方法，描述S波D*共振态。
• 使用螺旋幅形式构建复振幅，并采用相对论性布莱特-惠勒线形拟合。
• 固定已知D*态的共振参数，对Dₛ⁺π±末态中的新奇特态进行拟合。

实验结果

研究问题

• RQ1 在开放粲夸克区中，是否存在具有[c¯su¯d]夸克组分的双荷四夸克态？
• RQ2 在D⁻K⁺谱中观测到的X(2900)态是否具有同位旋伙伴？
• RQ3 在Dₛ⁺π±末态中观测到的新共振态是否具有自旋宇称0+并构成同位旋三重态？
• RQ4 观测到的结构是否可由已知D*共振态解释，还是需要引入奇特态？
• RQ5 在Dₛ⁺π±系统中，新共振态的精确质量与宽度是多少？

主要发现

• 在质量2.908 ± 0.011 ± 0.020 GeV处观测到双荷四夸克态X(2900)++，宽度为0.136 ± 0.023 ± 0.013 GeV。
• 其中性伙伴X(2900)0在相同质量与宽度处被观测到，表明同位旋对称性成立。
• 两个态的自旋宇称量子数均为0+，与构成同位旋三重态的理论预测一致。
• 两个态的共振参数在统计上一致，支持其作为同位旋双态的归属。
• 该观测为开放粲夸克区中双荷四夸克态提供了首个直接实验证据。
• 结果证实了理论预测中关于[c¯su¯d]与[c¯s¯ud]构型奇特四夸克态的存在。