[论文解读] Heavy Baryons and Exotics Spectrum

Marek Karliner, Harry J. Lipkin+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2011

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 14被引用 5

一句话总结

本文提出了底重子质量的高精度理论预测，验证了近期实验数据，并提出存在奇异的 $Z_b$ 四价子态以及一种假设的由π介子交换束缚的 $\Sigma_b^+\Sigma_b^-$ 二重子（美子）。该研究将 $Z_b$ 态与近阈值的 $B^*\bar{B}$ 和 $B^*\bar{B}^*$ 分子态联系起来，其量子数为 $I=1$，$J^P=1^+$，并预测了深层束缚的 $I=0$ 对应态及 LHCb 可观测的衰变模式。

ABSTRACT

We discuss several highly accurate theoretical predictions for masses of baryons containing the b quark which have been recently confirmed by experimental data. Several predictions are given for additional properties of heavy baryons. We also discuss the two charged exotic resonances Z_b with quantum numbers of a (b bbar u ddbar) tetraquark, very recently reported by Belle in the channel [Upsilon(nS) π^+, n=1,2,3]. Among possible implications are deeply bound I=0 counterparts of the Z_b-s and existence of a Sigma_b^+ Sigma_b^- dibaryon, a "beauteron".

研究动机与目标

• 使用包含色超精细相互作用的组份夸克模型，解释含有 $b$ 夸克的重子质量谱的最新确认结果。
• 将 Belle 合作组在 $\Upsilon(5S) \to \Upsilon(nS)\pi^+\pi^-$ 衰变中观测到的带电 $Z_b$ 共振态解释为四价子态。
• 预测深层束缚的 $I=0$ $Z_b$ 对应态以及通过π介子交换形成的 $\Sigma_b^+\Sigma_b^-$ 二重子（美子）。
• 探讨这些态对未来 LHCb 搜索的启示，特别是通过二μ子和辐射衰变道。

提出的方法

• 使用包含色超精细相互作用 $V^{HF(QCD)}_{ij} \propto \vec{\lambda}_i \cdot \vec{\lambda}_j \, \vec{\sigma}_i \cdot \vec{\sigma}_j / (m_i m_j)$ 的组份夸克模型，预测重子质量劈裂。
• 比较介子与重子中的超精细劈裂，提取夸克质量比，确认其在 2% 内一致。
• 应用π介子交换势来建模分子态，$I=1$ 与 $I=0$ 通道因π介子的味内容不同而强度不同。
• 估计 $I=0$ 通道的结合能为低于阈值 40–50 MeV，这是由于底系统中吸引力更强且动能更小。
• 使用波函数重叠 $\langle \psi|\delta(r)|\psi \rangle$ 计算重子与介子中的接触超精细相互作用。
• 预测衰变模式如 $Z_b(I=0) \to \Upsilon(nS)\gamma$ 和 $Z_b(I=0) \to B\bar{B}\gamma$，通过 $B^* \to B\gamma$ 衰变。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用包含色超精细相互作用的组份夸克模型，准确预测含有底夸克的底重子的观测质量？
• RQ2 在 $\Upsilon(5S) \to \Upsilon(nS)\pi^+\pi^-$ 衰变中观测到的新 $Z_b$ 共振态的本质是什么？
• RQ3 是否存在 $Z_b$ 态的深层束缚 $I=0$ 对应态？它们与 $I=1$ $Z_b$ 态有何不同？
• RQ4 $\Sigma_b^+\Sigma_b^-$ 二重子（美子）是否可能作为π介子束缚的分子态存在？
• RQ5 在 LHCb 上，$I=0$ $Z_b$ 态的可观测衰变信号是什么？

主要发现

• 从重子中超精细劈裂 $ (M_{\Sigma_c^*}-M_{\Sigma_c}) $ 提取的 $m_c/m_s$ 比值为 $2.84$，与介子值 $2.81$ 在 1% 内一致。
• 从重子中提取的 $m_c/m_u$ 比值为 $4.36$，与介子值 $4.46$ 在 2% 内一致。
• $Z_b$ 态的质量为 $M_1 = 10608.4 \pm 2.0$ MeV 和 $M_2 = 10653.2 \pm 1.5$ MeV，位于 $B^*\bar{B}$ 和 $B^*\bar{B}^*$ 阈值之上约 3 MeV。
• $I=0$ $Z_b$ 态预计位于 $B\bar{B}$ 和 $B^*\bar{B}^*$ 阈值以下 40–50 MeV，这是由于更强的π介子交换吸引力。
• $Z_b(I=0)$ 的衰变模式包括 $\Upsilon(nS)\pi^+\pi^-$、$\Upsilon(nS)\gamma$ 和 $B\bar{B}\gamma$，其中 $E_\gamma \approx 46$ MeV，可在 LHCb 上探测到。
• 预测 $\Sigma_b^+\Sigma_b^-$ 二重子（美子）可通过强π介子交换和 $I=1$ 耦合形成，其可能的衰变模式 $\Lambda_b\Lambda_b\pi^+\pi^-$ 可在 LHCb 上观测到。