[論文レビュー] From controversy to precision on the sigma meson: a review on the status of the non-ordinary $f_0(500)$ resonance

J. R. Peláez|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 500被引用数 143

ひとこと要約

このレビューは、実験的データとモデルに依存しない分散形式主義を統合することで、長年の論争であるシグマ中間子（現在の$f_0(500)$）を解消し、その極の位置を精度よく決定した：$√{s_σ} = 449^{+22}_{-16} - i(275 \pm 12)$ MeV。解析はその非通常の性質を確認し、単純な$¯x{q}q$状態を排除し、$1/N_c$理論およびレッジ理論による分子的またはテトラクォーク的構造を支持する。

ABSTRACT

The existence and properties of the sigma meson have been controversial for almost six decades, despite playing a central role in the spontaneous chiral symmetry of QCD or in the nucleon-nucleon attraction. This controversy has also been fed by the strong indications that it is not an ordinary quark-antiquark meson. Here we review both the recent and old experimental data and the model independent dispersive formalisms which have provided precise determinations of its mass and width, finally settling the controversy and leading to its new name: $f_0(500)$. We then provide a rather conservative average of the most recent and advanced dispersive determinations of its pole position $\sqrt{s_σ}=449^{+22}_{-16}-i(275\pm12)$. In addition, after comprehensive introductions, we will review within the modern perspective of effective theories and dispersion theory, its relation to chiral symmetry, unitarization techniques, its quark mass dependence, popular models, as well as the recent strong evidence, obtained from the QCD $1/N_c$ expansion or Regge theory, for its non ordinary nature in terms of quarks and gluons.

研究の動機と目的

• 歴史的にシグマ中間子として知られる$f_0(500)$励起状態の存在と性質に関する長年の論争を解決すること。
• 分散形式主義と実験的$ππ$散乱データを用いて、モデルに依存しない精度の高い$f_0(500)$極の位置を決定すること。
• クォーク-反クォーク、テトラクォーク、分子状態、グルーボール解釈との整合性を$1/N_c$理論およびレッジ理論を用いて評価し、$f_0(500)$の性質を明確にすること。
• ちるび摂動論、ユニタリ化モデル、有効場理論の理論的予測を、実験的データおよびReview of Particle Physics（RPP）の改訂と一致させること。
• $f_0(500)$を、基本的なクォーク-反クォーク状態ではなく、中間子-中間子相互作用からダイナミカルに生成された状態としてのコンSENSUSを確立すること。

提案手法

• 解析的性とユニタリティの制約を課した、ロイ方程式およびGKPY方程式を含むモデルに依存しない分散形式主義を用いて、$ππ$散乱データを分析する。
• 前方分散関係および部分波ユニタリティを適用し、実験的位相シフトおよび非弾性度データから$f_0(500)$の極の位置を抽出する。
• 逆振幅法および$N/D$型アプローチを用いて、カップルドチャンネルにおけるちるび摂動論振幅のユニタリ化を行う。
• ユニタリ化されたChPTの$1/N_c$展開を用いて、$f_0(500)$の非通常の性質を調査し、$¯x{q}q$状態とは整合しない抑制が示されることを明らかにする。
• レッジ理論および$N_c$-抑制観測量を用いて、励起状態の振る舞いを検証し、標準的な中間子スペクトルと整合しないことが判明。
• lattice QCD、和則、スウィンガー＝ダイソンアプローチをレビューし、$f_0(500)$のクォーク・グルーオン構造を評価し、有効モデルと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $f_0(500)$励起状態の正確な極の位置は何か？ そして、以前の推定値と比べてどう異なるか？
• RQ2 なぜ$f_0(500)$は数十年にわたり論争の的となったのか？ そして、最近の何がこの論争を解決したのか？
• RQ3 $f_0(500)$は標準的な$¯x{q}q$中間子であるのか、それともテトラクォークや分子状態のようなより複雑な構造を持っているのか？
• RQ4 $f_0(500)$が$1/N_c$展開およびレッジ理論において示す振る舞いは、その通常のクォーク模型解釈を支持するか、あるいは反証するか？
• RQ5 ちるび対称性と中間子-中間子ダイナミクスは、$f_0(500)$の生成に果たす役割は何か？ そして、ユニタリ化有効場理論にどのように反映されるか？

主な発見

• $f_0(500)$の極の位置は、非常に高い精度で$√{s_\sigma} = 449^{+22}_{-16} - i(275 \pm 12)$ MeVと決定され、数十年にわたる不確実性が解消された。
• $f_0(500)$は、$1/N_c$の振る舞いおよびレッジ軌道が示すように、標準的な$¯x{q}q$中間子ではない。これは、標準の中間子スペクトルと整合しない抑制を示している。
• この励起状態は主に$ππ$再散乱ダイナミクスに起因し、ユニタリ化されたChPTおよび分散的手法による強い証拠から、ダイナミカルに生成された性質が裏付けられている。
• lattice QCDおよび和則解析は、非通常の構造を支持しており、$f_0(500)$はおそらく2つのクォークと2つの反クォークから成るか、分子状態である可能性が高い。
• $f_0(500)$の$N_c$依存性およびレッジ軌道は、支配的なグルーボール解釈と整合しない。なぜなら、最も軽いグルーボールは1 GeV以上と予想されるからである。
• $f_0(500)$の$γγ$への結合定数は、その非通常の性質と整合しており、これは$f_0(500)$が基本的なクォーク-反クォーク状態ではなく、ダイナミカルに生成された状態であるという主張をさらに支持する。