[论文解读] Discovery of the doubly charmed $T_{cc}^+$ state implies a triply charmed $H_{ccc}$ hexaquark state

Tian-Wei Wu, Ya-Wen Pan+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2021

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 8

一句话总结

本文提出，最近发现的双重底夸克 $T_{cc}^+$ 状态（与 $DD^*$ 分子态一致）暗示了三重底夸克 $H_{ccc}$ 六价夸克态作为 $DDD^*$ 绑定态的存在。通过使用基于 OBE 模型的 $DD^*$ 相互作用（其参数由 $T_{cc}^+$ 的结合能约束），并采用高斯展开法求解，研究发现存在一个 $1^{-}$ 的 $DDD^*$ 绑定态，其结合能约为几百 keV，通过 $DDD\pi$ 和 $DDD\gamma$ 模式衰变，可能在 LHCb 实验中被探测到。

ABSTRACT

The doubly charmed exotic state $T_{cc}$ recently discovered by the LHCb Collaboration could well be a $DD^{*}$ molecular state long predicted in various theoretical models, in particular, the $DD^*$ isoscalar axial vector molecular state predicted in the one-boson-exchange model. In this work, we study the $DDD^*$ system in the Gaussian Expansion Method with the $DD^*$ interaction derived from the one-boson-exchange model and constrained by the precise binding energy of $273\pm63$ keV of $T_{cc}$ with respect to the $D^{*+}D^0$ threshold. We show the existence of a $DDD^*$ state with a binding energy of a few hundred keV and spin-parity $1^-$. Its main decay modes are $DDDπ$ and $DDDγ$. The existence of such a state could in principle be confirmed with the upcoming LHC data and will unambiguously determine the nature of the $T_{cc}^+$ state and of the many exotic state of similar kind, thus deepening our understanding of the non-perturbative strong interaction.

研究动机与目标

• 研究最近发现的 $T_{cc}^+$ 状态（解释为 $DD^*$ 分子态）是否暗示存在更重的 $DDD^*$ 绑定态。
• 利用高斯展开法确定三重底夸克 $H_{ccc}$ 六价夸克态的存在性及其量子数。
• 利用精确测量的 $T_{cc}^+$ 结合能 $273 \pm 63$ keV 约束 $DD^*$ 相互作用。
• 识别 $H_{ccc}$ 态的主要衰变模式，以实现 LHCb 实验中的探测。

提出的方法

• 应用高斯展开法求解包含动能项及两体 $DD^*$、$DD$ 和 $DD^*$ 相互作用的三体 $DDD^*$ 薛定谔方程。
• 基于一玻色子交换（OBE）模型推导 $DD^*$ 相互作用，并通过 $T_{cc}^+$ 相对于 $D^{*+}D^0$ 阈值的结合能进行约束。
• 采用高斯基展开，使用截断参数 $\Lambda = 976$、$998$ 和 $1013$ MeV 以实现收敛并计算结合能。
• 为评估其影响，考虑了双电荷 $I=1/2$、$I_3=1/2$ 分量的 $DDD^*$ 系统中的库仑相互作用。
• 将 $H_{ccc}$ 态建模为弱束缚的 $DT_{cc}$ 系统，基于 $T_{cc} \to DD\pi$ 衰变动力学，考虑了 $DDD\pi$ 和 $DDD\gamma$ 衰变道。
• 研究在不同截断参数和同位旋通道下，结合能、均方根半径及哈密顿量期望值的计算结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 若 $T_{cc}^+$ 态为 $DD^*$ 分子态，是否意味着存在 $DDD^*$ 绑定态？
• RQ2 所预测的 $H_{ccc}$ 六价夸克态的量子数和结合能为何？
• RQ3 库仑相互作用如何影响双电荷 $I=1/2$、$I_3=1/2$ $DDD^*$ 态的结合？
• RQ4 $H_{ccc}$ 态的主要衰变模式为何？是否可在 LHCb 实验中探测？
• RQ5 $H_{ccc}$ 态的存在能否作为 $T_{cc}^+$ 分子本质的决定性检验？

主要发现

• 预测存在一个自旋宇称为 $1^{-}$ 的 $DDD^*$ 绑定态，其结合能在 $\Lambda = 976$ MeV 时约为 0.37 MeV，随截断参数增加至 $\Lambda = 1013$ MeV 时上升至 2.27 MeV。
• 双电荷 $I=1/2$、$I_3=1/2$ $DDD^*$ 态的结合能受库仑排斥影响而降低，但仍保持束缚，其值分别为 $\Lambda = 976$、$998$ 和 $1013$ MeV 时为 0.15 MeV、0.80 MeV 和 1.61 MeV。
• 基于 LHCb 观测到的 $T_{cc} \to DD\pi$ 衰变行为，$H_{ccc}$ 态预计主要衰变为 $DDD\pi$ 和 $DDD\gamma$ 最终态。
• 在 $\Lambda = 976$ MeV 时，$H_{ccc}$ 态中 $DD^*$ 对的均方根半径约为 8.2 fm，表明其具有松散束缚的分子结构。
• 估计 $H_{ccc} \to DDD\pi$ 的产额比 $T_{cc} \to DD\pi$ 小约一个数量级，但仍可被未来的 LHCb 实验探测。
• 研究结论认为，$H_{ccc}$ 态为 $T_{cc}^+$ 分子本质提供了关键且非平凡的检验，其发现将证实底层的 $DD^*$ 相互作用模型。