[论文解读] Some insights into the newly observed $Z_c(4100)$ in $B^0 o η_c K^+ π^-$ by LHCb

Q. Zhao|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文研究了在 $B^0 \to \eta_c K^+ \pi^-$ 衰变中新观测到的 $Z_c(4100)$ 共振态的性质，提出其可能源于 $D^*\bar{D}^*$ 分子的最终态相互作用或 $P$-波共振态。关键结果是，若该共振态为 $P$-波态，则其电中性伙伴将具有奇特量子数 $I^G(J^{PC}) = 1^-(1^{-+})$，从而与 $Z_c(4020)$ 形成动力学关联。

ABSTRACT

The newly reported exotic signal $Z_c(4100)$ by the LHCb Collaboration in the invariant mass spectrum of $η_cπ^-$ in $B^0 o η_c K^+ π^-$ has been a new experimental evidence for an exotic meson containing four constituent quarks. Although the present experimental information is very limited, we show that its correlations with some existing exotic candidates can be recognized. This signal can be either caused by final state interaction effects or a $P$-wave resonance state arising from the $D^*\bar{D}^*$ interaction. For the latter option its neutral partner will have exotic quantum numbers of $I^G(J^{PC})=1^-(1^{-+})$. This signal, if confirmed, would provide important clues for dynamics for producing multiquark systems in $B$ meson decays and $e^+e^-$ annihilations.

研究动机与目标

• 澄清在 $B^0 \to \eta_c K^+ \pi^-$ 衰变中新观测到的 $Z_c(4100)$ 共振态的本质。
• 确定 $Z_c(4100)$ 是源于最终态相互作用还是真实的 $P$-波共振态。
• 确定 $Z_c(4100)$ 的电中性伙伴的量子数及其衰变道，特别是其奇特的 $J^{PC}$ 量子数。
• 提出未来实验通道以确认该共振态的结构，尤其在 $e^+e^-$ 对湮灭过程中。

提出的方法

• 分析 $B^0 \to \eta_c K^+ \pi^-$ 中的 $\eta_c\pi^-$ 不变量质量谱，识别出在 $4096 \pm 20^{+18}_{-22}$ MeV 处存在一个宽度为 $152 \pm 58^{+60}_{-35}$ MeV 的共振态。
• 考虑两种机制：通过 $S$-波 $D^*\bar{D}^*$ 散射的最终态相互作用，或由 $D^*\bar{D}^*$ 相互作用产生的真实 $P$-波共振态。
• 应用同位旋和自旋-味耦合分析，确定汤川势中交换π介子的符号，结果表明对 $I=1$、$J^{PC}=1^{-+}$ 构型具有吸引力。
• 利用 $I=1$ 和 $J^{PC}=1^{-+}$ 的 $D^*\bar{D}^*$ 相互作用，构建与 $Z_c(4100)$ 一致的共振态模型。
• 与已知的 $Z_c(4020)$ 和 $Z_c(3900)$ 状态比较，评估其在量子数和产生动力学方面的一致性。
• 提出未来在 $\sqrt{s} \approx 4.43$ 和 $4.66$ GeV 的 $e^+e^-$ 湮灭实验，通过 $D\bar{D}\pi$、$D\bar{D}\pi\pi$ 和 $\rho D\bar{D}^{(*)}$ 最终态探测 $I=1$ 的类粲重子态。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否用最终态的 $D^*\bar{D}^*$ 相互作用而非真实共振态来解释 $Z_c(4100)$ 共振态？
• RQ2 若 $Z_c(4100)$ 源于 $P$-波 $D^*\bar{D}^*$ 相互作用，则其电中性伙伴的量子数为何？
• RQ3 $Z_c(4100)$ 态是否与在 $e^+e^- \to h_c\pi\pi$ 和 $D^*\bar{D}^*\pi$ 中观测到的 $Z_c(4020)$ 共振态一致？
• RQ4 $S$-波 $D^*\bar{D}^*$ 相互作用在形成 $I^G(J^{PC}) = 1^-(0^{+})$ 态中起何作用？
• RQ5 哪些 $e^+e^-$ 湮灭通道对探测具有 $J^P = 0^+, 1^-, 1^+, 2^+$ 的 $I=1$ 类粲重子态最为敏感？

主要发现

• 在 $4096 \pm 20^{+18}_{-22}$ MeV 处观测到的 $Z_c(4100)$ 共振态，宽度为 $152 \pm 58^{+60}_{-35}$ MeV，与具有 $I^G(J^{PC}) = 1^-(1^{-+})$ 的 $P$-波 $D^*\bar{D}^*$ 共振态一致。
• 若 $Z_c(4100)$ 的电中性伙伴以 $P$-波共振态存在，则其将具有奇特量子数 $I^G(J^{PC}) = 1^-(1^{-+})$，从而与普通强子态相区别。
• $S$-波 $D^*\bar{D}^*$ 相互作用因 $C$-宇称选择规则被排除于 $I=1$、$J^{PC}=1^{-+}$ 情形，但 $P$-波耦合是允许的。
• 具有 $I=1$、$J^{PC}=1^{-+}$ 的 $P$-波 $D^*\bar{D}^*$ 系统通过交换π介子表现出吸引力，支持共振态的形成。
• $Z_c(4100)$ 共振态可能并非真实的 $I=1$、$J^{PC}=1^{-+}$ 态，而更可能是 $P$-波共振态或最终态相互作用效应。
• 未来在 $\sqrt{s} \approx 4.43$ 和 $4.66$ GeV 的 $e^+e^-$ 实验，特别是在 $D\bar{D}\pi$、$D\bar{D}\pi\pi$ 和 $\rho D\bar{D}^{(*)}$ 通道中，对确认该态的量子数至关重要。