[论文解读] Spectroscopy and production of doubly charmed tetraquarks

Tetsuo Hyodo, Yan-Rui Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 10

一句话总结

本文利用非相对论性量子色动力学（NRQCD）研究了在 $e^+e^-$ 碰撞中双粲四价子 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}(\mathrm{cc}\bar{u}\bar{d})$ 的谱学与产生机制。研究发现，不同的内部色结构——反三重态 $\bm{\bar{3}}$ 与六重态 $\bm{6}$——在微分截面中产生不同的动量与角分布，使实验上能够区分这些新强子态。

ABSTRACT

We discuss the production of the exotic doubly-charmed tetraquark mesons ${ m T}_{{ m c}{ m c}}({ m c}{ m c}\bar{ m u}\bar{ m d})$ from electron-positron collisions. ${ m T}_{{ m c}{ m c}}({ m c}{ m c}\bar{ m u}\bar{ m d})$ is a compact exotic hadron whose binding energy is provided by the diquark correlations. We evaluate the production cross section in the electron-positron collisions using the nonrelativistic QCD framework, and investigate the difference of the production cross section for different color configurations in two charm quarks (antitriplet and sextet), where the mixing of different configurations is suppressed in the heavy quark limit. The total cross section is estimated by modeling the nonperturbative fragmentation process of the charm quark pair into the tetraquark by the wavefunction of the tetraquark and the probability of picking up the light quarks. We find that the internal color configurations are distinguishable by the qualitative features of the differential cross sections which are independent of the nonperturbative matrix elements.

研究动机与目标

• 研究 $e^+e^-$ 碰撞中奇异双粲四价子 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}(\mathrm{cc}\bar{u}\bar{d})$ 的谱学与产生机制。
• 考察内部色结构（特别是 $\bm{\bar{3}}$（反三重态）与 $\bm{6}$（六重态））在决定 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ 产生动力学中的作用。
• 通过建模胶子对产生四价子态的非微扰碎片化过程，估算 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ 态的产生截面。
• 识别可实验测量的信号——特别是动量与产生角的微分截面——以区分 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ 的不同色-自旋结构。

提出的方法

• 采用非相对论性量子色动力学（NRQCD）因子化框架，将 $e^+e^- \to \mathrm{T}_{\mathrm{cc}} + X$ 的微扰与非微扰贡献分离。
• 利用夸克模型波函数与轻夸克捕获概率，建模 $c\bar{c}$ 对碎片化为 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ 四价子的过程。
• 考虑两种主要色-自旋构型：$\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{\bar{3}},{}^3S_1]$ 与 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{6},{}^1S_0]$，在重夸克极限下混合被抑制。
• 计算微分截面作为 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ 三动量 $p$ 与相对于碰撞轴的产生角 $\Theta$ 的函数。
• 在 $\sqrt{s} = 10.6$ GeV 下进行数值计算，采用 $m_c = 1.6$ 与 $1.8$ GeV 的底夸克质量，以及 $\alpha_s = 0.212$ 与 $0.221$ 的强耦合常数。
• 比较动量与角分布的定性特征，以识别不同色构型的可区分模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同的内部色构型（$\bm{\bar{3}}$ 与 $\bm{6}$）如何影响 $e^+e^-$ 碰撞中 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ 产生过程的动量与角分布？
• RQ2 在 $e^+e^-$ 对湮灭中，具有不同色-自旋结构的 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ 态的产生截面估计值是多少？
• RQ3 能否通过 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ 产生的微分截面揭示其内部色结构信息，而无需依赖非微扰矩阵元？
• RQ4 与以往忽略此类效应的研究相比，包含非微扰碎片化效应后，截面估计值有何变化？
• RQ5 在 $e^+e^-$ 实验中，可采用哪些实验可观测量来区分 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{\bar{3}},{}^3S_1]$ 与 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{6},{}^1S_0]$ 态？

主要发现

• 根据输入参数的不同，$\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{\bar{3}},{}^3S_1]$ 的总产生截面估计为 0.1281–0.3007 fb，而 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{6},{}^1S_0]$ 的截面为 0.05762–0.1451 fb。
• $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{\bar{3}},{}^3S_1]$ 的微分截面在大三动量 $p$ 处达到峰值，而 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{6},{}^1S_0]$ 即在小动量 $p \sim 1$ GeV 时也有可观的产生率。
• $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{\bar{3}},{}^3S_1]$ 主要沿横向方向产生（$\Theta = \pi/2, 3\pi/2$），而 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}[\bm{6},{}^1S_0]$ 的峰值出现在碰撞轴方向（$\Theta = 0, \pi$）。
• $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ 的微分截面在动量与角依赖性上，两种色构型表现出定性不同的特征，为实验上清晰区分提供了依据。
• 这些微分分布的差异具有鲁棒性，且独立于非微扰矩阵元，使其成为识别 $\mathrm{T}_{\mathrm{cc}}$ 内部色结构的可靠信号。
• 与以往忽略非微扰碎片化效应的研究相比，本研究中引入该效应后导致截面估计值降低，使预测更具物理现实性。