[論文レビュー] Predictive Solution to the $X(3872)$ Collider Production Puzzle

Eric Braaten, Kevin Ingles+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、$X(3872)$メソンの衝突生成のパズルを解き明かし、その即時生成断面積が、共鳴による閾値増幅のおかげで、弱く結合したcharm中間子分子であることに一致することを示している。$X$の生成断面積は、相対運動量 $k_\mathrm{max} = 7.7\gamma_X$ まで統合された $D^{*0}\bar{D}^0$ 組み合わせの断面積に等しく、これはテバトロンおよびLHCで観測された大きな断面積を説明する。

ABSTRACT

The claim that the $X(3872)$ meson cannot be a charm-meson molecule because its prompt production cross section at hadron colliders is too large is based on an upper bound in terms of a cross section for producing charm-meson pairs. Assuming $X$ is sufficiently weakly bound, we derive an equality between the $X$ cross section and a charm-meson pair cross section that takes into account the threshold enhancement from the $X$ resonance. The cross section for producing $X$ is equal to that for producing $D^{*0} \bar{D}^0$ integrated up to a relative momentum $k_\mathrm{max} = 7.7\,\gamma_X$, where $\gamma_X$ is the binding momentum of $X$. We also derive an order-of-magnitude estimate of the $X$ cross section in terms of a naive charm-meson pair cross section that does not take into account the threshold enhancement, such as that produced by a Monte Carlo event generator. The cross section for producing $X$ can be approximated by the naive cross section for producing $D^{*0} \bar{D}^0$ integrated up to a relative momentum $k_\mathrm{max}$ of order $(m_\pi^2 \gamma_X)^{1/3}$. The estimates of the prompt $X$ cross section at hadron colliders are consistent with the cross sections observed at the Tevatron and the LHC.

研究の動機と目的

• ハドロン衝突加速器における $X(3872)$ の大きな即時生成断面積と、それが弱く結合したcharm中間子分子であるという仮説との間にある明らかな矛盾を解消すること。
• $D^{*0}\bar{D}^0$ 組み合わせ生成からの断面積の上限が、$X(3872)$ がcharm中間子分子ではありえないという主張に対処すること。
• 共鳴による閾値増幅を考慮に入れた上で、$X$ 生成断面積と $D^{*0}\bar{D}^0$ 組み合わせ生成断面積の正確な等式を導出すること。
• 閾値増幅を無視した単純な $D^{*0}\bar{D}^0$ 生成断面積を用いた定量的見積もりを行い、実験データと整合することを示すこと。

提案手法

• 相対運動量 $k_\mathrm{max} = 7.7\gamma_X$ まで統合した際、$X(3872)$ 生成断面積と $D^{*0}\bar{D}^0$ 組み合わせ生成断面積の正確な等式を導出する。ここで $\gamma_X$ は $X$ の結合運動量である。
• $X$ 共鳴による閾値増幅を考慮するため、断面積計算に $s$-チャンネル $D^{*0}\bar{D}^0$ 振幅の全情報を含める。
• 弱く結合した状態に対して有効な摂動的アプローチを用い、閾値付近における $X$ 生成断面積と $D^{*0}\bar{D}^0$ 組み合わせ生成断面積の関係を導出する。
• イベントジェネレータから得られる単純な $D^{*0}\bar{D}^0$ 生成断面積を用い、$k_\mathrm{max} \sim (m_\pi^2 \gamma_X)^{1/3}$ まで統合することで、閾値増幅効果を補正する。
• 導出された断面積式を用いて、テバトロンおよびLHCからの実験データと予測値を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハドロン衝突加速器における $X(3872)$ の大きな即時生成断面積は、それが弱く結合したcharm中間子分子であるという解釈と整合することができるか？
• RQ2 閾値増幅を考慮した場合、$X(3872)$ 生成断面積と $D^{*0}\bar{D}^0$ 組み合わせ生成断面積との間にはどのような正確な関係が成立するか？
• RQ3 共鳴による $X$ の閾値増幅は、$X$ の生成に伴う $D^{*0}\bar{D}^0$ 組み合わせ生成の有効な $k_\mathrm{max}$ をどのように変化させるか？
• RQ4 イベントジェネレータから得られる単純な $D^{*0}\bar{D}^0$ 生成断面積に、運動量依存のカットオフを補正を加えることで、$X(3872)$ 生成断面積をどの程度正確に推定できるか？
• RQ5 予測された $X(3872)$ 生成断面積は、テバトロンおよびLHCで観測された値と整合するか？

主な発見

• $X(3872)$ 生成断面積は、$\gamma_X$ を $X$ の結合運動量として、相対運動量 $k_\mathrm{max} = 7.7\gamma_X$ まで統合した $D^{*0}\bar{D}^0$ 組み合わせ生成断面積に正確に等しい。
• $X$ 共鳴による閾値増幅が顕著に有効断面積を増大させ、分子仮説との明らかな矛盾を解消する。
• 単純な $D^{*0}\bar{D}^0$ 生成断面積を $k_\mathrm{max} \sim (m_\pi^2 \gamma_X)^{1/3}$ まで統合することで、共鳴増幅の主要な物理を捉えたオーダー・オブ・マグニチュードの見積もりが得られる。
• ハドロン衝突加速器における予測された $X(3872)$ 生成断面積は、テバトロンおよびLHCで観測された値と整合しており、分子解釈を支持する。
• 分析により、閾値増幅を適切に考慮した場合、$X(3872)$ がcharm中間子分子であるという主張に対する上限の議論は誤りであることが示された。