[论文解读] Fully-heavy tetraquark states and their evidences in the LHC observations

Ming-Sheng liu, Feng-Xiao Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用 24

一句话总结

该论文基于非相对论夸克模型对质量谱和衰变行为的分析，提出LHC中J/ψ粒子对谱中的X(6600)和X(6900)结构源自全重夸克四价子态：X(6600)为1S波态T_{(4c)0^{++}}(6550)，X(6900)为2S波态T_{(4c)0^{++}}(6957)。该模型预测X(6900)的分支宽度约为4.7 MeV（J/ψ粒子对）和3.2 MeV（J/ψψ(2S)），分支比为1.5，并预测在η_cη_c和χ_{c0}χ_{c0}等道中存在额外信号。此外，该模型还预测在19.7–19.8 GeV能量区间的J/ψ粒子对和ΥΥ(2S)道中可观测到全底夸克四价子态。

ABSTRACT

Stimulated by the exciting progress on the observations of the fully-charmed tetraquarks at LHC, we carry out a combined analysis of the mass spectra and fall-apart decays of the $1S$-, $2S$-, and $1P$-wave $cc\bar{c}\bar{c}$ states in a nonrelativistic quark model (NRQM). It is found that the $X(6600)$ structure observed in the di-$J/ψ$ invariant mass spectrum can be explained by the $1S$-wave state $T_{(4c)0^{++}}(6550)$. This structure may also bear some feed-down effects from the higher $2S$ and/or $1P$ tetraquark states. The $X(6900)$ structure observed in both the di-$J/ψ$ and $J/ψψ(2S)$ channels can be naturally explained by the $2S$-wave state $T_{(4c)0^{++}}(6957)$. The small shoulder structure around $6.2-6.4$ GeV observed at CMS and ATLAS may be due to the feed-down effects from some $1P$-wave states with $C=-1$ and/or some $2S$-wave states with $J^{PC}=0^{++}$. Other decay channels are implied in such a scenario and they can be investigated by future experimental analyses. Considering the large discovery potential at LHC, we also present predictions for the $bb\bar{b}\bar{b}$ states which can be searched for in the future.

研究动机与目标

• 解释LHC中J/ψ粒子对不变质量谱里观测到的X(6600)和X(6900)结构的本质。
• 确定这些结构是否对应于紧凑的全重夸克四价子态，而非分子态。
• 利用非相对论夸克模型，预测1S-、2S-和1P波cc̄c̄c̄与bb̄b̄b̄四价子态的质量谱和衰变性质。
• 探讨在未来LHC实验中观测全底夸克四价子态的可行性。

提出的方法

• 使用非相对论夸克模型（NRQM）通过Jacobi坐标计算1S-、2S-和1P波cc̄c̄c̄与bb̄b̄b̄态的质量谱。
• 通过混合矩阵将不同色配置（6̄6与33̄）之间的混合纳入模型，以确定物理本征态。
• 计算向如J/ψ粒子对、J/ψψ(2S)、η_cη_c、χ_{c0}χ_{c0}和J/ψh_c等末态的衰变宽度。
• 将理论预测与LHC数据进行比较，特别关注J/ψ粒子对和J/ψψ(2S)道中X(6600)与X(6900)结构。
• 将模型扩展至bb̄b̄b̄态，以预测在J/ψ粒子对和ΥΥ(2S)末态中可观测到的信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 X(6600)结构在J/ψ粒子对谱中是否可由1S波全重夸克四价子态解释？
• RQ2 X(6900)结构是否最适宜描述为量子数为0^{++}的2S波四价子态？
• RQ3 所预测的T_{(4c)0^{++}}(6957)态的主要衰变道是什么？其是否与X(6900)的观测部分宽度一致？
• RQ4 来自更高质量的1P-和2S波态的级联衰变是否可解释6.2–6.4 GeV附近的微小肩峰结构？
• RQ5 在LHC中，未来在J/ψ粒子对和ΥΥ(2S)末态中观测全底夸克四价子态的可能性如何？

主要发现

• X(6600)结构最合理地由1S波四价子态T_{(4c)0^{++}}(6550)解释，其预测质量为6550 MeV。
• X(6900)结构最一致地由2S波态T_{(4c)0^{++}}(6957)解释，其预测质量为6957 MeV，部分宽度分别为约4.7 MeV（J/ψ粒子对）和约3.2 MeV（J/ψψ(2S)）。
• T_{(4c)0^{++}}(6957)的分支宽度比Γ_{J/ψJ/ψ}/Γ_{J/ψψ(2S)}预测约为1.5，可进行实验检验。
• 2S态T_{(4c)0^{++}}(7018)在J/ψ粒子对末态中的部分宽度约为1.87 MeV，表明其可能对X(6900)产生级联衰变效应。
• 预测态T_{(4c)0^{++}}(6455)的质量为6455 MeV，可能通过级联衰变或干涉效应贡献于X(6600)峰。
• 对于全底夸克四价子态，2S态T_{(4b)0^{++}}(19767)和T_{(4b)0^{++}}(19811)预测在J/ψ粒子对和ΥΥ(2S)末态中具有显著衰变宽度，使其成为未来LHC搜索的有力候选。