[论文解读] Radiative transitions of charmonium states in a constituent quark model

Weijun Deng, Li-Ye Xiao+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2015

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 54被引用 3

一句话总结

本文利用组分夸克模型研究了粲偶素态的电磁辐射跃迁，同时考虑了电偶极（E1）和磁偶极（M2）跃迁。研究发现，在E1主导的过程中存在显著的M2干涉效应，并对更高激发的粲偶素态给出了精确预测，其中预测X(3872)→ψ(2S)γ与X(3872)→J/ψγ的宽度比约为4.0，与BaBar实验数据一致，支持将X(3872)解释为χc1(2P)态。

ABSTRACT

We study the electromagnetic (EM) transitions of the $nS$, $nP$ ($n\leq 3$), and $nD$ ($n\leq 2$) charmonium states with a constituent quark model. We obtain a reasonable description of the EM transitions of the well-established charmonium states $J/ψ$, $ψ(2S)$, $χ_{cJ}(1P)$, $h_c(1P)$ and $ψ(3770)$. We find that the M2 transitions give notable corrections to some E1 dominant processes by interfering with the E1 transitions. Our predictions of EM decay properties for the higher charmonium states are also presented and compared with other model predictions. In particular, we discuss the EM decay properties of some $"XYZ"$ states, such as $X(3823)$, $X(3872)$, $X(3915)$, $X(3940)$ and $X(4350)$ as conventional charmonium states. Assuming $X(3872)$ as the $χ_{c1}(2P)$ state, our predicted ratio $Γ[X(3872) o ψ(2S)γ]/Γ[X(3872) o J/ψγ]\simeq 4.0$ is consistent with BaBar's measurement.

研究动机与目标

• 利用组分夸克模型，为粲偶素态中的电磁跃迁提供可靠的描述。
• 检验对新发现的XYZ态（特别是X(3872)）的常规粲偶素态赋值的合理性。
• 研究M2跃迁在修正E1主导的辐射衰变中的作用。
• 预测更高激发态（nS, nP, nD）的衰变性质，这些态尚未被充分确立。
• 将模型预测与实验数据及其他理论方法进行比较，尤其针对X(3872)、X(3823)、X(3915)、X(3940)和X(4350)等态。

提出的方法

• 采用具有非相对论势的组分夸克模型，以描述粲偶素态的内部结构。
• 使用一种专门设计的电磁跃迁算符，包含束缚势的影响，并允许更高多极矩贡献（如M2）。
• 通过夸克波函数和光子耦合得到的矩阵元，计算辐射跃迁（E1、M2）的部分宽度。
• 采用实验测得的质量描述已确立的态（如J/ψ、ψ(2S)），并采用非相对论（NR）、格里菲斯-伊藤（GI）和改进的非相对论（SNR）势模型预测未确立态的质量。
• 在三种夸克模型变体（QM1、QM2、QM3）之间进行比较，分别对应不同的势模型。
• 计算E1与M2振幅之间的干涉，以评估其对跃迁速率的联合影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 组分夸克模型能否准确描述如J/ψ、ψ(2S)和χcJ(1P)等已确立的粲偶素态的电磁衰变？
• RQ2 M2跃迁在E1主导的辐射衰变中贡献多大程度？它们如何影响预测的分支比？
• RQ3 将X(3872)赋值为χc1(2P)是否与电磁衰变数据一致，特别是其衰变至ψ(2S)γ与J/ψγ的分支比？
• RQ4 对尚未完全确立的高激发态（如2D、3P、3S）的辐射跃迁部分宽度有何预测？
• RQ5 该模型对XYZ态（如X(3823)、X(3915)、X(3940)和X(4350)）的预测与其他理论模型及实验观测相比如何？

主要发现

• 该模型对已确立的粲偶素态（包括J/ψ、ψ(2S)、χcJ(1P)、hc(1P)和ψ(3770)）的电磁跃迁提供了合理的描述。
• M2跃迁通过相长与相消干涉，对E1主导过程提供了显著修正，显著改变了预测的分支比。
• 预测的X(3872)→ψ(2S)γ与X(3872)→J/ψγ的宽度比Γ ≈ 4.0与BaBar实验测量结果高度一致，支持将X(3872)解释为χc1(2P)态。
• 对于未确立的D波态（如ψ3(1D)、ψ2(1D)、ψ1(1D)），模型预测的部分宽度在0.01 keV至数keV之间，不同势模型之间存在显著差异。
• 对高激发态（如χc2(3P)、χc1(3P)和ηc2(2D)）的辐射衰变预测强烈依赖于势模型的选择（NR、GI、SNR），部分宽度差异可达两倍。
• 模型预测ψ2(2D)→χc1(1P)和ηc2(2D)→hc(1P)等跃迁存在非零的M2贡献，M2宽度最高可达10 keV，表明高阶多极效应不可忽略。