[论文解读] Radiative transitions of charmonium states in the covariant confined quark model

Gurjav Ganbold, Thomas Gutsche+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 91被引用 13

一句话总结

该论文采用规范不变的幅值和复合度条件，对粲偶素态（S波和P波）的电磁跃迁进行了协变束缚夸克模型研究，利用一个可调参数 𝜌 = 0.485（表示粲偶素尺寸与质量之比）对耦合常数进行固定，成功与 PDG 2020 数据达成良好一致，理论预测 hc(1P1) 的宽度为 (0.57 ± 0.12) MeV，与实验值 (0.7 ± 0.4) MeV 一致。

ABSTRACT

We have studied the dominant radiative transitions of the charmonium $S$-and $P$-wave states within the covariant confined quark model. The gauge invariant leading-order transition amplitudes have been expressed by using either the conventional Lorentz structures, or the helicity amplitudes, where it was effective. The renormalization couplings of the charmonium states have been strictly fixed by the compositeness conditions that excludes the constituent degrees of freedom from the space of physical states. We use the basic model parameters for the constituent c-quark mass $m_c=1.80$ GeV and the global infrared cutoff $\lambda=0.181$ GeV. We additionally introduce only one adjustable parameter $\varrho>0$ common for the charmonium states $\eta_c({}^1\!S_0)$, $J/\psi({}^3\!S_1)$, $\chi_{c0}({^{3}}\!P_{0})$, $\chi_{c1}({^{3}}\!P_{1})$, $h_c({^{1}}\!P_{1})$, and $\chi_{c2}({^{3}}\!P_{2})$ to describe the quark distribution inside the hadron. This parameter describes the ratio between the charmonium size and its physical mass. The optimal value $\varrho=0.485$ has been fixed by fitting the latest data for the partial widths of the one-photon radiative decays of the triplet $\chi_{cJ}({^{3}}\!P_{J}), J=\{0,1,2\}$. Then, we calculate corresponding fractional widths for states $J/\psi({}^3\!S_1)$ and $h_c({^{1}}\!P_{1})$. Estimated results are in good agreement with the latest data. By using the fraction data from PDG2020 and our estimated partial decay width for $h_c({^{1}}\!P_{1})$ we recalculate the theoretical full width $\Gamma^{ m theor}_{h_c} \simeq (0.57 \pm 0.12)$ MeV in comparison with latest data $\Gamma^{ m exp}_{h_c} \simeq (0.7\pm 0.4)$ MeV. We also repeated our calculations by gradually decreasing the global cutoff parameter and revealed that the results do not change for any $\lambda<0.181$ GeV up to the deconfinement limit.

研究动机与目标

• 使用相对论性、规范不变的夸克模型描述粲偶素 S 波和 P 波态的电磁跃迁。
• 解决非相对论势模型与实验数据之间的差异，特别是 J/ψ → γηc(1S) 宽度的偏差问题。
• 应用 Weinberg-Salam 复合度条件以消除非物理自由度，确保物理一致性。
• 通过与 χcJ(3PJ) 部分宽度的拟合，确定单个可调参数 𝜌 的最优值，该参数代表粲偶素尺寸与物理质量之比。
• 预测难以捉摸的 hc(1P1) 态的部分宽度，并与最新实验数据进行比较。

提出的方法

• 采用显式洛伦兹不变和规范不变的协变束缚夸克模型公式化方法。
• 使用传统的洛伦兹结构和螺旋度振幅计算跃迁矩阵元。
• 通过 Weinberg-Salam 复合度条件（Z = 1 − Π′ = 0）固定正规化耦合常数，确保物理束缚态中不含裸夸克分量。
• 设定组成 c 夸克质量为 mc = 1.80 GeV，全局红外截断为 λ = 0.181 GeV。
• 引入一个可调参数 𝜌 > 0 以描述内部夸克分布，代表强子尺寸与物理质量之比。
• 通过拟合 χc0、χc1、χc2(3PJ) 电磁衰变的实验部分宽度，确定 𝜌 = 0.485，随后预测 J/ψ(3S1) 和 hc(1P1) 的宽度。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够使用相对论性、规范不变的夸克模型，在不依赖非相对论近似的情况下准确描述粲偶素的电磁跃迁？
• RQ2 描述粲偶素态内部结构的尺寸与质量比参数 𝜌 的最优值是什么？
• RQ3 该模型对难以捉摸的 hc(1P1) 态部分宽度的预测效果如何，该态长期面临实验与理论挑战？
• RQ4 当红外截断 λ 变化时，特别是接近禁闭解除极限时，模型是否保持稳定？
• RQ5 与传统势模型相比，复合度条件在多大程度上提升了模型的一致性与预测能力？

主要发现

• 通过拟合 χcJ(3PJ) 电磁衰变的部分宽度，确定尺寸与质量比参数的最优值为 𝜌 = 0.485。
• 模型预测 hc(1P1) 态的理论部分宽度为 (0.57 ± 0.12) MeV，与实验值 (0.7 ± 0.4) MeV 良好一致。
• 对 J/ψ(3S1) → γηc(1S) 的预测部分宽度与最新的 PDG 2020 数据一致，解决了非相对论模型长期高估的问题。
• 模型结果在红外截断 λ 变化至禁闭解除极限时仍保持稳定，表明其鲁棒性。
• 采用 Weinberg-Salam 复合度条件成功消除了非物理自由度，确保了束缚态的物理解释一致性。
• 该模型仅使用一个可调参数，即可在多个粲偶素态上实现与实验数据的良好一致，展现出强大的预测能力。