[논문 리뷰] Fully-heavy tetraquark states and their evidences in the LHC observations

Ming-Sheng liu, Feng-Xiao Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 27인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 다이제이프시 스펙트럼에서 관측된 X(6600) 및 X(6900) 구조가 비상대론적 쿼크 모델 분석에 기반하여 완전히 무거운 테트라쿼크 상태로 기인한다고 제안한다: X(6600)는 1S 상태인 T_{(4c)0^{++}}(6550)로, X(6900)는 2S 상태인 T_{(4c)0^{++}}(6957)로 설명된다. 이 모델은 X(6900)의 부분 폭을 약 4.7 MeV (다이제이프시) 및 약 3.2 MeV (제이프시 ψ(2S))로 예측하며, 분해비율은 1.5이다. 또한 η_cη_c 및 χ_{c0}χ_{c0}와 같은 채널에서도 추가 신호를 제안한다. 더 나아가, 다이유피 및 유피(2S) 채널에서 19.7–19.8 GeV 범위의 관측 가능한 bb̄bb̄ 상태를 예측한다.

ABSTRACT

Stimulated by the exciting progress on the observations of the fully-charmed tetraquarks at LHC, we carry out a combined analysis of the mass spectra and fall-apart decays of the $1S$-, $2S$-, and $1P$-wave $cc\bar{c}\bar{c}$ states in a nonrelativistic quark model (NRQM). It is found that the $X(6600)$ structure observed in the di-$J/ψ$ invariant mass spectrum can be explained by the $1S$-wave state $T_{(4c)0^{++}}(6550)$. This structure may also bear some feed-down effects from the higher $2S$ and/or $1P$ tetraquark states. The $X(6900)$ structure observed in both the di-$J/ψ$ and $J/ψψ(2S)$ channels can be naturally explained by the $2S$-wave state $T_{(4c)0^{++}}(6957)$. The small shoulder structure around $6.2-6.4$ GeV observed at CMS and ATLAS may be due to the feed-down effects from some $1P$-wave states with $C=-1$ and/or some $2S$-wave states with $J^{PC}=0^{++}$. Other decay channels are implied in such a scenario and they can be investigated by future experimental analyses. Considering the large discovery potential at LHC, we also present predictions for the $bb\bar{b}\bar{b}$ states which can be searched for in the future.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 다이제이프시 진동 질량 스펙트럼에서 관측된 X(6600) 및 X(6900) 구조의 성격을 규명하는 것.
• 이 구조들이 분자 상태가 아니라 밀도 높은 완전히 무거운 테트라쿼크 상태에 해당하는지 확인하는 것.
• 비상대론적 쿼크 모델을 사용하여 1S-, 2S-, 1P 상태의 cc̄c̄c̄ 및 bb̄b̄b̄ 테트라쿼크 상태의 질량 스펙트럼과 붕괴 특성을 예측하는 것.
• 미래 LHC 실험에서 완전히 무거운 바텀 테트라쿼크 상태를 관측할 수 있는 가능성 탐색.

제안 방법

• 자이코비 좌표를 사용하여 1S-, 2S-, 1P 상태의 cc̄c̄c̄ 및 bb̄b̄b̄ 상태의 질량 스펙트럼을 계산하기 위해 비상대론적 쿼크 모델(NRQM)을 사용한다.
• 혼합 매트릭스를 통해 다양한 색 상태(6̄6 및 33̄) 간의 혼합을 고려하여 물리적 고유상태를 결정한다.
• 다이제이프시, 제이프시 ψ(2S), η_cη_c, χ_{c0}χ_{c0}, 제이프시 h_c 등의 최종 상태로의 붕괴 폭을 계산한다.
• 이론적 예측을 LHC 데이터와 비교하며, 특히 다이제이프시 및 제이프시 ψ(2S) 채널에서의 X(6600) 및 X(6900) 구조에 초점을 맞춘다.
• 모델을 bb̄b̄b̄ 상태로 확장하여 다이유피 및 유피(2S) 최종 상태에서의 관측 가능한 신호를 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이제이프시 스펙트럼에서의 X(6600) 구조는 1S 상태의 완전히 무거운 테트라쿼크 상태로 설명될 수 있는가?
• RQ2 X(6900) 구조는 0^{++} 양자수를 가진 2S 상태의 테트라쿼크 상태로 가장 잘 기술될 수 있는가?
• RQ3 예측된 T_{(4c)0^{++}}(6957) 상태의 주요 붕괴 채널은 무엇이며, 이는 관측된 X(6900)의 부분 폭과 일치하는가?
• RQ4 더 높은 질량의 1P 및 2S 상태에서의 피드다운 기여가 6.2–6.4 GeV 근처의 작은 어깨 구조를 설명할 수 있는가?
• RQ5 LHC에서 다이유피 및 유피(2S) 최종 상태에서 완전히 바텀 테트라쿼크 상태를 관측할 수 있는 전망은 어떠한가?

주요 결과

• X(6600) 구조는 질량 예측값 6550 MeV를 가진 1S 상태 테트라쿼크 상태 T_{(4c)0^{++}}(6550)로 가장 잘 설명된다.
• X(6900) 구조는 질량 예측값 6957 MeV를 가진 2S 상태인 T_{(4c)0^{++}}(6957)로 가장 일관되게 설명되며, 부분 폭은 약 4.7 MeV (다이제이프시) 및 약 3.2 MeV (제이프시 ψ(2S))이다.
• T_{(4c)0^{++}}(6957)의 부분 폭 비율 Γ_{J/ψJ/ψ}/Γ_{J/ψψ(2S)}는 약 1.5로 예측되며, 이는 실험적으로 검증 가능하다.
• 2S 상태인 T_{(4c)0^{++}}(7018)는 다이제이프시 최종 상태로의 부분 폭 약 1.87 MeV를 기여하여 X(6900)에 대한 피드다운 효과가 있을 수 있음을 시사한다.
• T_{(4c)0^{++}}(6455)는 질량 예측값 6455 MeV를 가지며, 피드다운 또는 간섭 효과로 인해 X(6600) 피크에 기여할 수 있다.
• 완전히 바텀 테트라쿼크 상태의 경우, 2S 상태인 T_{(4b)0^{++}}(19767) 및 T_{(4b)0^{++}}(19811)는 다이유피 및 유피(2S) 최종 상태로의 상당한 붕괴 폭을 가지며, 향후 LHC 탐색에 있어 유망한 후보로 여겨진다.