[논문 리뷰] Why there are many threshold structures in hadron spectrum with heavy quarks

Xiang-Kun Dong, Feng-Kun Guo외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 개방 채널을 포함하는 비상대론적 효과적 필드 이론을 사용하여 헤비 쿼크onium 스펙트럼에서의 임계점 근처 공명 구조의 다수를 설명한다. 임계점의 쿠스프가만약최종상태의 강한 상호작용이 매력적일 경우에만 두드러진 피크로 나타나며, 그 너비는 환산 질량에 반비례한다. 이는 강한 상호작용이 매력적인 경우 헤비 쿼크onium–경량 하드론 임계점에서 광범위한 임계점 구조가 예측됨을 시사한다.

ABSTRACT

Tremendous progress has been made experimentally in the hadron spectrum containing heavy quarks in the last two decades. It is surprising that many resonant structures are around thresholds of a pair of heavy hadrons. There should be a threshold cusp at any $S$-wave threshold. By constructing a nonrelativistic effective field theory with open channels, we discuss the generalities of threshold behavior, and offer an explanation of the abundance of near-threshold peaks in the heavy quarkonium regime. We show that the threshold cusp can show up as a peak only for channels with attractive interaction, and the width of the cusp is inversely proportional to the reduced mass relevant for the threshold. We argue that there should be threshold structures at any threshold of a pair of heavy-quark and heavy-antiquark hadrons, which have attractive interaction at threshold, in the invariant mass distribution of a heavy quarkonium and light hadrons that couple to that open-flavor hadron pair. The structure becomes more pronounced if there is a near-threshold pole. Predictions of the possible pairs are also given for the ground state heavy hadrons. Precisely measuring the threshold structures will play an important role in revealing the heavy-hadron interactions, and thus understanding the puzzling hidden-charm and hidden-bottom structures.

연구 동기 및 목표

• 헤비 쿼크를 가진 하드론 스펙트럼에서 관측된 근처 임계점 공명 구조의 다수를 설명하기 위해.
• 이러한 구조가 특히 히든-초르미움 및 히든-바텀 영역에서 두드러지게 나타나는 이유를 이해하기 위해.
• 임계점 쿠스프가 관측 가능한 피크로 나타나는 조건을 규명하기 위해.
• 매력적 상호작용을 보이는 헤비 쿼크 및 헤비 반쿼크 하드론 쌍의 모든 임계점에서 임계점 구조의 존재를 예측하기 위해.
• 임계점 역학을 관측하기 위한 유망한 채널을 식별하여 실험 측정을 안내하기 위해.

제안 방법

• 헤비 쿼크onium 상태에 결합된 개방 플라버 채널을 포함하는 비상대론적 효과적 필드 이론을 수립하기 위해.
• S파 스캐터링 앰플리튜드를 사용하여 임계점 행동을 분석하고, 관측 가능한 질량 분포에서 임계점 쿠스프의 역할을 규명하기 위해.
• 임계점 쿠스프가 눈에 띄는 피크로 나타나는 조건을 유도하기 위해: 유일하게 최종상태 하드론 간의 상호작용이 매력적일 때.
• 쿠스프의 너비가 이원체 최종상태의 환산 질량에 반비례함을 보여주며, 이는 더 가벼운 시스템에서 더 좁은 너비를 가짐을 의미한다.
• 근처 임계점의 폴을 고려할 때 효과적 필드 이론을 사용하여 임계점 구조의 강도와 형태를 계산하기 위해.
• 이 형식을 적용하여 특정 하드론 쌍(예: 채론 및 바텀 메손 등)에서 이러한 구조가 예상되는지를 예측하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 헤비 쿼크onium 스펙트럼에서 임계점 근처에 많은 공명 구조가 관측되는가?
• RQ2 임계점 쿠스프가 관측 가능한 피크로 나타나는 조건은 무엇인가?
• RQ3 최종상태 하드론 쌍의 환산 질량은 임계점 쿠스프의 너비에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 어떤 헤비 하드론 쌍이 매력적 상호작용으로 인해 두드러진 임계점 구조를 생성할 것으로 기대되는가?
• RQ5 근처 임계점 폴의 존재가 임계점 쿠스프 효과의 가시성을 증가시키는가?

주요 결과

• 임계점 쿠스프는 헤비 쿼크onium과 경량 하드론의 관측 가능한 질량 분포에서 유일하게 최종상태 하드론 간의 상호작용이 매력적일 경우에만 눈에 띄는 피크로 나타난다.
• 임계점 쿠스프의 너비는 이원체 최종상태의 환산 질량에 반비례하므로, 더 가벼운 시스템일수록 더 좁아진다.
• 매력적 상호작용을 보이는 헤비 쿼크 및 헤비 반쿼크 하드론 쌍의 모든 임계점에서 임계점 구조가 예측된다.
• 근처 임계점 폴의 존재는 임계점 쿠스프의 두드러짐을 크게 증가시켜 실험 데이터에서 더 잘 드러나게 한다.
• 특정 기저 상태 하드론 쌍—예를 들어 $D\bar{D}$, $B\bar{B}$, $D^*\bar{D}^*$ 등—에서 이러한 구조가 관측될 것으로 예측된다.
• 이러한 임계점 구조의 정밀 측정는 기초적인 헤비 하드론 상호작용을 탐색하고 히든-초르미움 및 히든-바텀 상태의 본질을 규명하는 데 필수적이다.