[论文解读] Strong decay patterns of the hidden-charm tetraquarks

Li Ma, Wei-Zhen Deng+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2015

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 5

一句话总结

本文在重夸克对称性极限下，利用色-自旋重排方案研究了隐粲四价子的强衰变模式。结果表明，在类似 $Y(4260)$ 的分子态中，$J/\psi\pi\pi$ 衰变模式被强烈抑制，而胶球型粲重子与四价子态则表现出相似的衰变行为，倾向于开放粲夸克模式。这些结果对 $Y(4260)$ 和 $Z_c(4020)$ 的分子态解释提出挑战，建议应将其视为四价子或胶球型结构。

ABSTRACT

With the spin rearrangement, we have performed a comprehensive investigation of the decay patterns of the S-wave tetraquarks and P-wave tetraquarks where the P-wave excitation exists either between the diquark and anti-diquark pair or inside the diquark. Especially, we compare the decay patterns of $Y(4260)$ with different inner structures such as the conventional charmonium, the molecule, the P-wave tetraquark and the hybrid charmonium. We notice the $J/ψππ$ mode is suppressed in the heavy quark symmetry limit if $Y(4260)$ is a molecular state. Moreover the hybrid charmonium and hidden-charm tetraquark have very similar decay patterns. Both of them decay into the $J/ψππ$ and open charm modes easily. We also discuss the decay patterns of $X(3872)$, $Y(4360)$, and several charged states such as $Z_c(4020)$. The $h_cπ^{\pm}$ decay mode disfavors the tetraquark assumption of $Z_c(4020)$.

研究动机与目标

• 在重夸克对称性极限下，研究 $S$ 波和 $P$ 波隐粲四价子的自旋重排强衰变模式。
• 区分 $Y(4260)$、$X(3872)$ 和 $Z_c(4020)$ 等奇特粲重子态的分子态、四价子态与胶球型粲重子态解释。
• 基于量子数与色-自旋结构，确定哪些衰变模式被允许或被抑制。
• 通过衰变行为为识别 XYZ 状态的内部结构提供理论框架。

提出的方法

• 在重夸克对称性下应用色-自旋重排方案，守恒重夸克自旋、轻夸克自旋、宇称、 $C$ 和 $G$ 变换性。
• 将四价子分为两类：介子-反介子对之间的 $P$ 波激发，或单个介子内部的激发。
• 利用群论与对称性选择规则，确定不同量子数构型的允许衰变道。
• 比较在分子态、四价子态与胶球型粲重子态假设下 $Y(4260)$ 的衰变行为。
• 评估 $J/\psi\pi\pi$、$h_c\pi$、$\chi_{c0}\rho$、$\chi_{c1}\rho$ 以及开放粲夸克模式的衰变宽度与分支比。
• 结合 Belle、LHCb 和 CDF 的实验数据，约束理论模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 若 $Y(4260)$ 是重夸克对称性极限下的分子态，为何其 $J/\psi\pi\pi$ 衰变模式被抑制？
• RQ2 胶球型粲重子与隐粲四价子的衰变模式有何异同？这对它们的识别有何启示？
• RQ3 $h_c\pi$ 衰变模式是否能排除 $Z_c(4020)$ 的四价子态解释？
• RQ4 在四价子模型下，$Y(4360)$ 的哪些衰变模式是允许的？与其实测的 $\psi(2S)\pi^+\pi^-$ 衰变相比如何？
• RQ5 为何未观测到 $Y(4260)$ 的开放粲夸克衰变？这如何挑战其分子态假设？

主要发现

• 若 $Y(4260)$ 是由 $D_0\bar{D}^*$、$D_1\bar{D}^*$ 或类似构型构成的分子态，其 $J/\psi\pi^+\pi^-$ 衰变模式在重夸克对称性极限下被强烈抑制。
• 胶球型粲重子与隐粲四价子表现出极为相似的衰变行为，两者均倾向于 $J/\psi\pi\pi$ 与开放粲夸克模式。
• 若 $Z_c(4020)$ 是具有 $1^{+-}$ 量子数的四价子态，且处于 $280_{cs}$ 色-自旋表示中，则其 $h_c\pi^\pm$ 衰变模式被禁止，这不利于四价子假说。
• 在重夸克对称性极限下，$Y(4360)$ 的 $J/\psi\sigma$、$J/\psi f_0(980)$、$\psi(2S)\sigma$ 与 $\psi(2S)f_0(980)$ 衰变模式被抑制，表明其可能为类型 I 的 $1^{--}$ 电中性四价子。
• $h_c\eta$ 衰变模式仅对 $0^{-}(1^{--})\{^1P_1\}$ 四价子态允许，可作为 $Y(4360)$ 量子数的潜在判别指标。
• $Z_c(4200)^+$ 的大宽度（约 370 MeV）及其 $J/\psi\pi^+$ 衰变模式与分子模型不一致，但与处于 $35_{cs}$ 色-自旋表示中的 $1^{+-}$ 四价子态一致。