[論文レビュー] Pentaquarks and resonances in the $pJ/ψ$ spectrum

V.V. Anisovich, M. A. Matveev+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2015

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 57

ひとこと要約

本稿では、隠れたcharmを有するExotic pentaquarkに対して、色 singlet 構造を持つ三体系として扱う、二クォーク-二クォーク-反クォークモデルを提案する。pJ/ψスペクトルにおける幅の狭い4450 MeVピークを5/2⁻状態として特定し、広い4380 MeV構造を最終状態の散乱効果に起因するとする。4040–4500 MeVの範囲に、J^P = 1/2⁻, 3/2⁻, 5/2⁻の複数の低エネルギーpentaquark状態が予測される。

ABSTRACT

We consider exotic baryons with hidden charm as antiquark-diquark-diquark composite systems. Spin and isospin structure of such exotic states is given and masses are estimated. The data for production of pentaquarks in the reaction $Λ_b o K^-p J/ψ$ are discussed. We suggest that the narrow peak in $pJ/ψ$ spectra at 4450 MeV is antiquark-diquark-diquark state with negative parity, $5/2^{-}(4450)$, while the broad bump $3/2^{+}(4380)$ is the result of rescatterings in the ($pJ/ψ$)-channel. Positions of other pentaquarks with negative parity are estimated.

研究の動機と目的

• Λb → pJ/ψK⁻崩壊からのpJ/ψスペクトルにおける観測された4450 MeVの狭いピークと4380 MeVの広いバンプを説明すること。
• QCDに由来する二クォーク構成を用いて、隠れたcharmを有するExoticバリオンを反クォーク-二クォーク-二クォーク複合状態として分類すること。
• 二クォーク質量パラメータとスピン-色構造に基づき、低エネルギーpentaquark状態の質量および量子数（J^P, I）を推定すること。
• pJ/ψチャネルにおける真の共鳴状態と、最終状態の散乱効果によって生じる状態を区別すること。
• 四クォークからpentaquarkへと二クォークモデルを拡張し、Exoticハドロンの統一的枠組みを提供すること。

提案手法

• 反対称的エプシロンテンソルを用いて、色 singlet 状態としてpentaquarkを記述：P = ε_{αβγ} c̄^α (cu)^β (ud)^γ + 置換。
• スピンおよびアイソスピン量子数を用いて状態を分類：軽いおよび重い両方の二クォークに対して、スカラーS（0⁺）および軸性ベクトルA（1⁺）を用いる。
• 質量式 M = m_c̄ + m_{(cq)} + m_{(q'q'')} + J(J+1)Δ を適用し、Δ = 70 ± 10 MeV は事前の四クォーク解析から得られる。
• 二クォーク質量を用いる：m_S(cq) = 2000 ± 50 MeV, m_A(cq) = 2050 ± 50 MeV, m_S(q'q'') = 650 ± 50 MeV, m_A(q'q'') = 750 ± 50 MeV, および m_c̄ = 1300 ± 50 MeV。
• 二クォーク状態を結合して全アイソスピン-スピンスペクトルを構築し、各組み合わせに量子数を割り当てる。
• 特にpJ/ψ最終状態相互作用に起因する状態として、広い4380 MeV構造をpJ/ψチャネルの散乱効果に起因するとする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 pJ/ψスペクトルにおける4450 MeVの狭いピークは、真の5/2⁻ pentaquark状態であるのか、動的効果に起因するのか？
• RQ2 4380 MeV付近の広い構造は、真の共鳴状態ではなく、pJ/ψチャネルにおける最終状態の散乱効果によって説明可能か？
• RQ3 二クォーク-二クォーク-反クォークモデルにおける、隠れたcharmを有する低エネルギーpentaquark状態の予測質量および量子数（J^P, I）は何か？
• RQ4 二クォーク構成のスピンおよびアイソスピン構造が、得られるpentaquark状態の量子数にどのように寄与するか？
• RQ5 色およびスピン構造が、反クォークと二つの二クォークの三体複合状態としてExoticバリオンを分類する上で果たす役割は何か？

主な発見

• 4450 MeVの狭いピークは、アイソスピン I = 1/2 の5/2⁻ pentaquark状態として特定され、観測された4450 ± 4 MeVおよび幅39 ± 24 MeVと整合的である。
• 4380 MeVの広い構造は、pJ/ψチャネルにおける最終状態の散乱効果、例えば Λb → Λ(1520)J/ψ → K⁻(pJ/ψ) に起因するとされ、真の3/2⁺共鳴状態ではない。
• 4040–4500 MeVの範囲に、J^P = 1/2⁻, 3/2⁻, 5/2⁻ の複数のpentaquark状態が予測され、4100, 4140, 4190, 4240, および4520 MeVに状態が存在する。
• J^P = 5/2⁻ の4520 MeV状態は、観測された4450 MeVピークの最も可能性の高い候補と特定され、予測質量は4520 ± 150 MeVである。
• 本モデルは、一部の1/2⁻状態が主にpηcに崩壊すると予測しており、実験的にこれらの状態を同定するためのテスト可能なシグネチャを提供する。
• モデルにおける質量不確実性は±150 MeVと推定され、共鳴状態の観測幅および質量分散と整合的である。