[논문 리뷰] Study of $I=0$ bottomonium bound states and resonances in $S$, $P$, $D$ and $F$ waves with lattice QCD static-static-light-light potentials

Pedro Bicudo, Nuno Cardoso외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 23.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 S, P, D, F 파에서 I=0 보텀온 상태의 T행렬 극을 계산하기 위해 레이티스 QCD에서 유도된 정적-정적-경량-경량 포텐셜을 보른-오펜하이머 근사와 유니타리 잠재파 방법을 사용하여 다섯 개의 채널(구형온과 네 가지 열린 B(*)B(*) 및 Bs(*)Bs(*) 메손-메손 상태)에 결합된 상태로 활용한다. Υ(10753) 공명은 79%의 구성 성분을 지닌 주로 메손-메손 분자로 규명되었으며, Bs(*)Bs(*) 임계값 근처에 유사한 복합 성질을 지닌 D파 상태가 존재함을 발견하여 X(3872)의 보텀온 대응체일 가능성을 제기한다.

ABSTRACT

In this paper we study $I = 0$ bottomonium in $S$, $P$, $D$ and $F$ waves considering five coupled channels, one confined quarkonium and four open $B^{(*)} \bar B^{(*)}$ and $B_s^{(*)} \bar B_s^{(*)}$ meson-meson channels. To this end we use and extend a recently developed novel approach utilizing lattice QCD string breaking potentials for the study of quarkonium bound states and resonances. This approach is based on the Born Oppenheimer approximation and the unitary emergent wave method and allows to compute the poles of the $\mbox{T}$ matrix. We compare our results to existing experimental results for $I = 0$ bottomonium and discuss masses, decay widths and the assignment of angular momentum quantum numbers. Moreover, we determine the quarkonium and meson-meson composition of these states to clarify, which of them are ordinary quarkonium, and which of them should rather be interpreted as tetraquarks.

연구 동기 및 목표

• 첫 번째 원리 레이티스 QCD 포텐셜을 사용하여 열린 쿼크와 보텀 임계값 근처의 I=0 보텀온 공명의 성질을 연구하기.
• 관측된 공명 상태들, 예를 들어 Υ(10753)이 전통적인 쿼크온인지 테트라쿠ォ크인지 쿼크온과 메손-메손 구성 성분 분석을 통해 규명하기.
• 이전의 S파 연구를 P, D, F 파로 확장하여 보텀온의 전체 스펙트럼적 그림을 S파를 초월해 제공하기.
• X(3872)의 보텀 옹대칭체인, D*D̄ 임계값 근처에 존재하는 채론온 상태와 유사한 성질을 지닌 보텀 영역의 보텀온 유사체 존재 여부 평가하기.

제안 방법

• 정적 쿼크와 경량 쿼크 간의 레이티스 QCD 스트링 끊김 포텐셜을 사용하여 구형온과 메손-메손 채널 간의 상호작용을 모델링한다.
• 중량 쿼크 운동 에너지를 포함하고 구형온 및 메손-메손 채널을 동적으로 결합하기 위해 보른-오펜하이머 비단조화 근사를 적용한다.
• 부분파 분해를 수행하여 S, P, D, F 파에 대한 5×5 결합 채널 슈뢰딩거 방정식을 유도한다.
• 유니타리 잠재파 방법을 사용하여 T행렬을 계산하고 위상이동 및 공명 극을 추출한다.
• 복소 에너지 평면에서 극 탐색을 수행하여 공명 질량과 붕괴 너비를 결정한다.
• 각 공명의 구형온 및 메손-메손 구성 성분을 분석하여 상태를 전통적인 쿼크온 또는 테트라쿠ォ크로 분류한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실험적으로 관측된 Υ(10753) 공명은 전통적인 D파 보텀온 상태로 설명되는 것이 바람직한가, 아니면 동적으로 생성된 메손-메손 분자로 설명되는 것이 더 적절한가?
• RQ2 Υ(10860) 및 Υ(11020) 공명의 쿼크온 대비 메손-메손 구성 성분은 무엇이며, 이들은 S파 또는 D파 구조에서 기인하는가?
• RQ3 Bs(*)Bs(*) 임계값 근처에 X(3872)와 유사한 성질을 지닌 보텀온 상태가 존재하는가? 이는 테트라쿠ォ크 유사한 구조를 시사하는가?
• RQ4 P, D, F 파에서의 I=0 보텀온 상태의 질량과 붕괴 너비는 실험 데이터 및 이론적 기대치와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 방법은 Υ(10753) 공명 질량과 구성 성분을 성공적으로 재현할 수 있는가? 또한 임계값 근처에 추가 상태를 예측하는가?

주요 결과

• Υ(10753) 공명은 S파 채널에서 10.773 GeV에 극을 가지며, 실험적 값 10.753 ± 0.007 GeV와 뛰어난 일치를 보인다.
• Υ(10753) 공명은 주로 메손-메손 분자로 구성되어 있으며, B(*)B(*) 및 Bs(*)Bs(*) 채널에서 79%의 구성 성분을 지닌다. 이는 테트라쿠ォ크 유사한 성질을 시사한다.
• J̃=2, n=3인 D파 공명 상태가 10.808 GeV에서 발견되었으며, Υ(10860)에 매우 가까워, 5S 상태의 D파 대응체일 가능성이 제기된다.
• Υ(11020) 공명은 이중도 상태로 해석되며, S파(J̃=0, n=7) 및 D파(J̃=2, n=4) 영역에 극을 지닌다. 이는 혼성 또는 degeneracy의 가능성을 시사한다.
• Bs(*)Bs(*) 임계값 근처에 J̃=2, n=3인 상태가 매우 가까이 발견되었으며, 79%의 메손-메손 및 21%의 구형온 구성 성분을 지닌다. 이는 X(3872)의 보텀온 대응체로 간주될 수 있다.
• 이 연구는 다수의 공명 상태에서 뚜렷한 메손-메손 구성 성분을 규명하였으며, 여러 관측된 보텀온 상태가 전통적인 쿼크온이 아니라 동적으로 생성된 테트라쿠ォ크일 가능성이 있음을 시사한다.