[论文解读] Looking for the hidden-charm pentaquark resonances in $J/ψp$ scattering

Hongxia Huang, Jun He+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2019

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 24

一句话总结

本文提出，近期观测到的隐粲五价子 $P_c(4312)$、$P_c(4440)$ 和 $P_c(4457)$ 是由 charm baryon 与反 charm meson 组成的分子态——具体而言，分别为具有量子数 $J^P = \frac{1}{2}^-$、$\frac{3}{2}^-$ 和 $\frac{1}{2}^-$ 的 $\Sigma_c D$、$\Sigma_c D^*$ 和 $\Sigma_c D^*$ 态——并利用夸克非定域化色屏蔽模型（QDCSM）与核组方法（RGM）计算 baryon-meson 散射相移。研究进一步预测在 11 GeV 以上存在宽度低于 4 MeV 的窄隐底五价子 $P_b$，表明其是未来在 EIC 和杰斐逊实验室实验的可行目标。

ABSTRACT

In the framework of quark delocalization color screening model, the three new reported pentaquarks $P_{c}(4312)$, $P_{c}(4440)$, and $P_{c}(4457)$ can be identified as the hidden-charm molecular states $Σ_{c}D$ with $J^{P}=\frac{1}{2}^{-}$, $Σ_{c}D^{*}$ with $J^{P}=\frac{3}{2}^{-}$, and $Σ_{c}D^{*}$ with $J^{P}=\frac{1}{2}^{-}$, in the baryon-meson scattering process, respectively. Besides, the $Σ^{*}_{c}D^{*}$ of both $J^{P}=\frac{1}{2}^{-}$ and $J^{P}=\frac{3}{2}^{-}$ are also possible molecular pentaquarks. Moreover, the calculation is extended to the $P_{c}-$like molecular pentaquarks $P_{b}$. Several states with masses above $11$ GeV and narrow width are obtained. All these heavy pentaquarks are worth searching in the future experiments.

研究动机与目标

• 将 LHCb 实验新观测到的窄隐粲五价子 $P_c(4312)$、$P_c(4440)$ 和 $P_c(4457)$ 解释为 baryon-meson 散射中的分子态。
• 在相同框架下研究是否存在其他分子五价子，包括 $\Sigma_c^* D^*$。
• 利用重味对称性将分析扩展至隐底五价子（$P_b$）。
• 为这些态提供质量与宽度的定量预测，以指导未来实验搜索。

提出的方法

• 采用夸克非定域化色屏蔽模型（QDCSM）描述强子内部结构，包含色屏蔽与夸克非定域化效应。
• 利用核组方法（RGM）通过在高斯基组中展开相对运动波函数，计算 baryon-meson 散射相移。
• 应用对称化算符 $\mathcal{A} = 1 - P_{14} - P_{24} - P_{34}$ 以考虑多夸克系统中的费米统计。
• 通过生成坐标 $\boldsymbol{S}_i$ 展开相对运动波函数，系数为 $C_i$，并利用球贝塞尔函数 $j_L$ 描述分波。
• 散射波函数构造为 $\chi_L(\boldsymbol{R}_{AB}) = \sum_i C_i \tilde{u}_L(R_{AB}, S_i)/R_{AB} Y_{LM}(\hat{\boldsymbol{R}}_{AB})$，其渐近行为与散射态一致。
• 通过复能量平面上 S 矩阵极点提取共振位置与宽度，对应于 $J/\psi p$ 与 $\Upsilon p$ 散射道中的束缚态或共振态。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHCb 实验观测到的三个窄 $P_c$ 态是否可被识别为具有特定量子数的 $\Sigma_c D$、$\Sigma_c D^*$ 和 $\Sigma_c D^*$ 分子态？
• RQ2 $\Sigma_c^* D^*$ 分子态在 $J^P = \frac{1}{2}^-$ 与 $\frac{3}{2}^-$ 时是否也在散射过程中动态生成？
• RQ3 通过重味对称性在 $\Upsilon p$ 散射道中预测的隐底五价子 $P_b$ 具有哪些性质？
• RQ4 为何某些 $\Sigma_c^* D^*$ 态在 $\eta_c p$ 与 $\Lambda_c D^*$ 散射中表现为共振态，却在 $J/\psi p$ 散射中未出现？

主要发现

• $P_c(4312)$ 态被识别为 $\Sigma_c D$ 分子态，$J^P = \frac{1}{2}^-$，预测质量为 4311.9 MeV，宽度为 9.8 MeV，与实验数据一致。
• $P_c(4440)$ 与 $P_c(4457)$ 态分别被解释为 $\Sigma_c D^*$ 分子态，$J^P = \frac{3}{2}^-$ 与 $\frac{1}{2}^-$，质量分别为 4440.3 MeV 与 4457.3 MeV，宽度为 20.6 MeV 与 6.4 MeV。
• $J^P = \frac{1}{2}^-$ 的 $\Sigma_c^* D^*$ 态预测质量为 4525.8 MeV，宽度为 4.0 MeV，表现为 $\eta_c p$ 散射中的共振态，但在 $J/\psi p$ 散射中未出现。
• $J^P = \frac{3}{2}^-$ 的 $\Sigma_c^* D^*$ 态预测质量为 4523.0 MeV，宽度为 1.0 MeV，表现为 $J/\psi p$ 散射中的尖点，但在 $\Lambda_c D^*$ 散射中表现为共振态。
• 在隐底强子谱中，预测了三个窄 $P_b$ 态：$\Sigma_b B$ 在 11077.5 MeV，宽度 0.1 MeV；$\Sigma_b B^*$ 在 11125.8 MeV，宽度 0.8 MeV；$\Sigma_b^* B^*$ 在 11153.5 MeV，宽度 3.0 MeV，全部具有 $IJ^P = \frac{1}{2}\frac{1}{2}^-$。
• 还预测了两个额外的 $P_b$ 态，$IJ^P = \frac{1}{2}\frac{3}{2}^-$：$\Sigma_b B^*$ 在 11122.7 MeV（宽度 0.2 MeV）与 $\Sigma_b^* B$ 在 11103.6 MeV（宽度 0.8 MeV），表明存在丰富且窄的超重五价子谱。