[논문 리뷰] Spectroscopy and production of doubly charmed tetraquarks

Tetsuo Hyodo, Yan-Rui Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 3인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 비상대론적 양자 chromodynamics(NRQCD)를 사용하여 $e^+e^-$ 충돌에서 이중 쿼크를 가진 테트라쿼크 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}(\mathrm{cc}\bar{u}\bar{d})$의 스펙트로스코피와 생성 메커니즘을 조사한다. 서로 다른 내부 색 구성—반삼중체 $\bm{\bar{3}}$와 육중체 $\bm{6}$—는 미분 단면적에서 다른 운동량 및 각도 분포를 만들어내며, 이는 이론적으로 이색 상태들 간의 실험적 구별 가능성을 제공한다.

ABSTRACT

We discuss the production of the exotic doubly-charmed tetraquark mesons ${ m T}_{{ m c}{ m c}}({ m c}{ m c}\bar{ m u}\bar{ m d})$ from electron-positron collisions. ${ m T}_{{ m c}{ m c}}({ m c}{ m c}\bar{ m u}\bar{ m d})$ is a compact exotic hadron whose binding energy is provided by the diquark correlations. We evaluate the production cross section in the electron-positron collisions using the nonrelativistic QCD framework, and investigate the difference of the production cross section for different color configurations in two charm quarks (antitriplet and sextet), where the mixing of different configurations is suppressed in the heavy quark limit. The total cross section is estimated by modeling the nonperturbative fragmentation process of the charm quark pair into the tetraquark by the wavefunction of the tetraquark and the probability of picking up the light quarks. We find that the internal color configurations are distinguishable by the qualitative features of the differential cross sections which are independent of the nonperturbative matrix elements.

연구 동기 및 목표

• 이상적인 이중 쿼크를 가진 테트라쿼크 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}(\mathrm{cc}\bar{u}\bar{d})$ 가 $e^+e^-$ 충돌에서의 스펙트로스코피와 생성 메커니즘을 조사하는 것.
• 특히 $\bm{\bar{3}}$(반삼중체)와 $\bm{6}$(육중체)로 표현되는 내부 색 구성이 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ 생성 역학에 미치는 영향를 분석하는 것.
• $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ 상태의 생성 단면적을 추정하기 위해 쿼크 쌍의 비파erturbative 분리 모델링을 통해 테트라쿼크 상태로의 분해를 고려하는 것.
• 다른 색 스핀 구성에 대해 구별 가능한 실험적 서명, 특히 운동량과 생성 각도에 대한 미분 단면적의 특성을 규명하는 것.

제안 방법

• 생성 과정 $e^+e^- \to \mathrm{T}_{\mathrm{cc}} + X$ 에서의 파erturbative 및 비파erturbative 기여를 분리하기 위해 비상대론적 양자 색역학(NRQCD) 인과성 프레임워크를 사용한다.
• 쿼크 모델 파동함수와 경량 쿼크의 확보 확률을 사용하여 $c\bar{c}$ 쌍이 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ 테트라쿼크로의 비파erturbative 분해를 모델링한다.
• 주요 색 스핀 구성 두 가지를 고려: $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{\bar{3}},{}^3S_1]$ 과 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{6},{}^1S_0]$, 중량 쿼크 근사에서 혼합은 무시 가능하다.
• 테트라쿼크의 3차원 운동량 $p$ 와 충돌 축에 대한 생성 각도 $\Theta$ 에 대한 함수로 미분 단면적을 계산한다.
• $\sqrt{s} = 10.6$ GeV 에서 수치적 평가를 수행하며, 쿼크 질량 $m_c = 1.6$ 및 $1.8$ GeV, $\alpha_s = 0.212$ 와 $0.221$ 을 각각 사용한다.
• 다양한 색 구성에 따른 운동량 및 각도 분포의 정성적 특징을 비교하여, 서로 다른 색 구성에 대해 식별 가능한 패tern을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다른 내부 색 구성($\bm{\bar{3}}$ 대비 $\bm{6}$)은 $e^+e^-$ 충돌에서 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ 생성의 운동량 및 각도 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 $e^+e^-$ 결합에서 색 스핀 구조가 다른 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ 상태의 예상 생성 단면적은 얼마인가?
• RQ3 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ 생성의 미분 단면적은 비파erturbative 행렬 요소에 영향을 받지 않고도 내부 색 구조에 대한 정보를 드러낼 수 있는가?
• RQ4 비파erturbative 분해 효과를 포함할 경우, 이전 연구에서 이러한 효과를 忽略한 예측에 비해 단면적 추정치는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 $e^+e^-$ 실험에서 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{\bar{3}},{}^3S_1]$ 과 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{6},{}^1S_0]$ 상태를 어떻게 구별할 수 있는가?

주요 결과

• $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{\bar{3}},{}^3S_1]$ 의 총 생성 단면적은 입력 매개변수에 따라 0.1281–0.3007 fb 범위이며, $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{6},{}^1S_0]$ 는 0.05762–0.1451 fb 범위이다.
• $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{\bar{3}},{}^3S_1]$ 의 미분 단면적은 큰 3차원 운동량 $p$ 에서 피크를 이룬다. 반면 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{6},{}^1S_0]$ 는 $p \sim 1$ GeV 에서도 생성된다.
• $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{\bar{3}},{}^3S_1]$ 는 주로 횡방향($\Theta = \pi/2, 3\pi/2$) 으로 생성되며, $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{6},{}^1S_0]$ 는 충돌 축 방향($\Theta = 0, \pi$) 에서 피크를 이룬다.
• 두 색 구성에 대해 운동량 및 각도 의존성이 정성적으로 다르게 나타나, 이는 실험적으로 이를 명확히 구별할 수 있는 수단을 제공한다.
• 이러한 미분 분포의 차이는 비파erturbative 행렬 요소에 영향을 받지 않으며, 이는 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ 의 내부 색 구조를 식별하는 신뢰할 수 있는 서명이 된다.
• 비파erturbative 분해 효과를 포함함으로써 이전 연구에서 이러한 효과를 忽略한 예측에 비해 단면적 예측이 억제됨을 확인하였으며, 이는 더 현실적인 예측을 가능하게 한다.