[论文解读] Charmed Baryon Spectroscopy from Lattice QCD with $N_f=2+1+1$ flavors

Raúl A. Briceño, Daniel R. Bolton+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2011

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 3

一句话总结

本格子QCD研究使用$N_f=2+1+1$动力费米子，采用相对论重夸克作用项处理粲夸克，HISQ海夸克，计算了粲重子谱。该研究预测了尚未发现的双粲和三粲重子的质量，其中$\Xi_{cc}$态的质量比SELEX测量值高出1.9σ，提示需对这一观测结果进行实验确认。

ABSTRACT

We present preliminary results of the calculation of the positive-parity ground state charm baryon spectrum using of N_f=2+1+1$ dynamical quarks. The calculation uses a relativistic heavy-quark action for the valence charm quark, clover-Wilson fermions for the valence light quarks and HISQ sea quarks. The spectrum is calculated with a lightest pion mass around 220 MeV and two lattice spacings ($a\sim0.12$ fm and 0.09 fm) are used to extrapolate to continuum limit. Our preliminary results are consistent with the currently measured baryon spectrum, except for the isospin-averaged $J=1/2$ $Ξ_{cc}$ which is approximately $2 σ$ above the SELEX observed value. We predict the yet-to-be-discovered double and triple-charm baryons $Ξ_{cc}^*$, $Ω_{cc}$, $Ω_{cc}^*$, $Ω_{ccc}$ to have masses 3665(42)(29) MeV, 3694(40)(45) MeV, 3739(35)(21) MeV and 4782(24)(28) MeV, respectively.

研究动机与目标

• 使用$N_f=2+1+1$动力夸克的非冻结格点QCD，计算正宇称基态粲重子谱。
• 通过调节参数$m_0$、$\nu$、$c_B$和$c_E$的相对论重夸克作用项，减小粲夸克区的离散化效应。
• 利用两个格点间距（$a \sim 0.12$ fm 和 $0.09$ fm）和两个π介子质量（$m_\pi \sim 220$ MeV 和 $310$ MeV）将结果外推至物理点。
• 检验与实验数据的一致性，特别是与SELEX对$\Xi_{cc}^+$态的观测（3520 MeV）比较，并预测尚未发现的双粲和三粲重子的质量。
• 通过计算具有受控系统误差的连续极限谱，为BEPCII、LHC和PANDA实验提供第一性理论输入。

提出的方法

• 使用MILC合作组提供的规范组 Configurations，包含$N_f=2+1+1$的HISQ海夸克和HYP-平滑规范场，以减少UV噪声。
• 对价夸克（u, d, s）使用clover-Wilson费米子，对粲价夸克使用相对论重夸克作用项，以抑制$\mathcal{O}((m_c a)^n)$离散化误差。
• 通过匹配$\eta_c$和$J/\psi$的色散关系以及$m_{\overline{1S}}/m_\Omega$比值至实验值0.084，非微扰地调节参数$m_0$、$\nu$、$c_B$和$c_E$。
• 在两个格点间距和两个轻夸克质量下进行计算，以使用$m_\pi^2/m_\Omega^2$和$a^2$的线性拟合实现向物理点的外推。
• 通过点源和高斯平滑源提取两点半点相关函数中的强子质量，采用jackknife误差估计并使用双指数拟合进行交叉验证。
• 通过连续极限外推程序，首先在$am_c$上插值至物理粲夸克质量，然后在$m_\pi^2$和$a^2$上外推至物理极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 格点QCD对粲重子谱的计算与SELEX对$\Xi_{cc}^+$态在3520 MeV处的观测结果相比如何？
• RQ2 尚未发现的双粲和三粲重子$\Xi_{cc}^*$、$\Omega_{cc}$、$\Omega_{cc}^*$和$\Omega_{ccc}$的预测质量是多少？
• RQ3 粲夸克区的离散化效应在多大程度上影响谱结构？使用相对论重夸克作用项能在多大程度上控制这些效应？
• RQ4 计算得到的底夸克-粲夸克超精细分裂和D介子质量与实验结果相比如何？这说明了该计算的可靠性如何？
• RQ5 格点结果与其它粲重子的实验谱在多大程度上一致？特别是考虑到$\Xi_{cc}$的不一致之处？

主要发现

• 计算得到的$\Xi_{cc}$重子质量比SELEX实验值3520 MeV高出1.9σ，表明存在显著差异，可能需要对SELEX观测结果进行实验确认。
• 预测的$\Xi_{cc}^*$重子质量为3665(42)(29) MeV，不确定性分别来自统计误差和拟合窗口。
• $\Omega_{cc}$重子预测质量为3694(40)(45) MeV，与粲重子的质量顺序预期一致。
• $\Omega_{cc}^*$态预测质量为3739(35)(21) MeV，质量分裂与自旋依赖相互作用一致。
• $\Omega_{ccc}$重子预测质量为4782(24)(28) MeV，显著重于其双粲对应态。
• 计算得到的底夸克-粲夸克超精细分裂为$\Delta_{1S} = 111.0(5.5)(6.6)$ MeV，与实验值116 MeV良好一致，验证了方法的可靠性。