[論文レビュー] Heavy Baryons and Exotics Spectrum

Marek Karliner, Harry J. Lipkin+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2011

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 14被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、最近の実験データを確認する高精度な理論的予測を提示し、底バリオンの質量を予測するとともに、$Z_b$ と呼ばれるExotic $Z_b$ テトラクォークの存在を提唱し、パイオン交換によって結合する仮説的な $\Sigma_b^+\Sigma_b^-$ ダイバリオン（ビューテロン）を提案している。$Z_b$ 状態は、$I=1$、$J^P=1^+$ の量子数を持ち、しきい値近くの $B^*\bar{B}$ および $B^*\bar{B}^*$ 分子状態として解釈され、$I=0$ の深く結合した類縁状態と、LHCbで観測可能な崩壊モードを予測している。

ABSTRACT

We discuss several highly accurate theoretical predictions for masses of baryons containing the b quark which have been recently confirmed by experimental data. Several predictions are given for additional properties of heavy baryons. We also discuss the two charged exotic resonances Z_b with quantum numbers of a (b bbar u ddbar) tetraquark, very recently reported by Belle in the channel [Upsilon(nS) π^+, n=1,2,3]. Among possible implications are deeply bound I=0 counterparts of the Z_b-s and existence of a Sigma_b^+ Sigma_b^- dibaryon, a "beauteron".

研究の動機と目的

• 色ハイパフィールド相互作用を含む構成クォークモデルを用いて、$b$ クォークを含む重いバリオンの質量スペクトルを最近確認されたものと一致させる。
• Belle協定による $\Upsilon(5S) \to \Upsilon(nS)\pi^+\pi^-$ 衰変における荷電 $Z_b$ 共鳴状態の観測を、テトラクォーク状態として解釈する。
• パイオン交換による引力によって形成される深く結合した $I=0$ $Z_b$ 類縁状態および $\Sigma_b^+\Sigma_b^-$ ダイバリオン（ビューテロン）の存在を予測する。
• これらの状態が将来の LHCb の探索に与える影響を検討する、特に二ミュオンおよび放射性崩壊チャネルを対象として。

提案手法

• 色ハイパフィールド相互作用 $V^{HF(QCD)}_{ij} \propto \vec{\lambda}_i \cdot \vec{\lambda}_j \, \vec{\sigma}_i \cdot \vec{\sigma}_j / (m_i m_j)$ を含む構成クォークモデルを用いてバリオンの質量分裂を予測する。
• メソンとバリオンにおけるハイパフィールド分裂を比較し、クォーク質量比を抽出し、2%以内で一貫性を確認する。
• 分子状態をモデル化するためのパイオン交換ポテンシャルを適用し、パイオンのフレーバー内容に起因して $I=1$ と $I=0$ チャネルの強さが異なることを考慮する。
• 底系において運動エネルギーが小さく、引力が強いことから、$I=0$ チャネルにおける結合エネルギーをしきい値より 40–50 MeV 低い位置に推定する。
• バリオンおよびメソンにおける接触ハイパフィールド相互作用を計算するために、波動関数の重なり $\langle \psi|\delta(r)|\psi \rangle$ を用いる。
• $B^* \to B\gamma$ を介した $Z_b(I=0) \to \Upsilon(nS)\gamma$ および $Z_b(I=0) \to B\bar{B}\gamma$ の崩壊モードを予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 色ハイパフィールド相互作用を含む構成クォークモデルを用いて、底バリオンの観測された質量が高精度で予測可能か？
• RQ2 $\Upsilon(5S) \to \Upsilon(nS)\pi^+\pi^-$ 衰変における新しく観測された $Z_b$ 共鳴状態の性質は何か？
• RQ3 $Z_b$ 状態の $I=0$ の深く結合した類縁状態は存在するか？また、$I=1$ の $Z_b$ 状態とはどのように異なるか？
• RQ4 $\Sigma_b^+\Sigma_b^-$ ダイバリオン（ビューテロン）はパイオン結合分子状態として存在可能か？
• RQ5 LHCb における $I=0$ $Z_b$ 状態の観測可能な崩壊シグネチャは何か？

主な発見

• バリオンにおけるハイパフィールド分裂 $(M_{\Sigma_c^*}-M_{\Sigma_c})$ から抽出された $m_c/m_s$ の比は $2.84$ であり、メソン値の $2.81$ と1%以内で一致する。
• バリオンからの $m_c/m_u$ の比 ($4.36$) は、メソン値 ($4.46$) と2%以内で一致する。
• $Z_b$ 状態の質量は $M_1 = 10608.4 \pm 2.0$ MeV および $M_2 = 10653.2 \pm 1.5$ MeV であり、$B^*\bar{B}$ および $B^*\bar{B}^*$ しきい値より約 3 MeV 高い位置に位置する。
• $I=0$ の $Z_b$ 状態は、より強いパイオン交換引力と底系の運動エネルギーの低減により、$B\bar{B}$ および $B^*\bar{B}^*$ しきい値より 40–50 MeV 低い位置に深く結合していると予測される。
• $Z_b(I=0)$ の崩壊モードには $\Upsilon(nS)\pi^+\pi^-$、$\Upsilon(nS)\gamma$、および $B\bar{B}\gamma$（$E_\gamma \approx 46$ MeV）が含まれ、LHCb で観測可能である。
• $\Sigma_b^+\Sigma_b^-$ ダイバリオン（ビューテロン）は強いパイオン交換および $I=1$ カップリングによって形成され、$\Lambda_b\Lambda_b\pi^+\pi^-$ のような崩壊モードが LHCb で観測可能である可能性がある。