[论文解读] Study of $I=0$ bottomonium bound states and resonances in $S$, $P$, $D$ and $F$ waves with lattice QCD static-static-light-light potentials

Pedro Bicudo, Nuno Cardoso+2 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2022

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 4

一句话总结

本研究在 Born-Oppenheimer 近似和幺正涌现波方法下，利用从格点 QCD 得到的静态-静态-轻-轻势，计算了 I=0 底夸克onium 在 S、P、D 和 F 波中与五个通道（夸克胶子态及四种 B(*)B(*) 和 Bs(*)Bs(*) 强子-强子态）耦合时的 T-矩阵极点。研究将 Υ(10753)共振态识别为以 79% 成分为主的强子-强子分子态，并发现一个靠近 Bs(*)Bs(*) 阈值的 D 波态，具有类似的复合结构，提示其为 X(3872) 的底夸克对应物。

ABSTRACT

In this paper we study $I = 0$ bottomonium in $S$, $P$, $D$ and $F$ waves considering five coupled channels, one confined quarkonium and four open $B^{(*)} \bar B^{(*)}$ and $B_s^{(*)} \bar B_s^{(*)}$ meson-meson channels. To this end we use and extend a recently developed novel approach utilizing lattice QCD string breaking potentials for the study of quarkonium bound states and resonances. This approach is based on the Born Oppenheimer approximation and the unitary emergent wave method and allows to compute the poles of the $\mbox{T}$ matrix. We compare our results to existing experimental results for $I = 0$ bottomonium and discuss masses, decay widths and the assignment of angular momentum quantum numbers. Moreover, we determine the quarkonium and meson-meson composition of these states to clarify, which of them are ordinary quarkonium, and which of them should rather be interpreted as tetraquarks.

研究动机与目标

• 使用第一性原理的格点 QCD 势，研究 I=0 底夸克onium 共振态，特别是靠近开粲和开底阈值的态。
• 通过夸克胶子态与强子-强子态成分的分析，确定如 Υ(10753) 等观测到的共振态是否为传统夸克胶子态或四价夸克态。
• 将先前的 S 波研究扩展至 P、D 和 F 波，以实现对底夸克onium 超过 S 波的完整光谱图像。
• 评估在底夸克区是否存在 X(3872) 的对应态，即靠近 D*D̄ 阈值的粲夸克态，其性质是否类似。

提出的方法

• 利用格点 QCD 中静态夸克与轻夸克之间的弦断裂势，模拟夸克胶子态与强子-强子通道之间的相互作用。
• 应用 Born-Oppenheimer 非绝热近似，引入重夸克的动能项，并动态耦合夸克胶子态与强子-强子通道。
• 进行部分波分解，推导出 S、P、D 和 F 波的 5×5 耦合通道薛定谔方程。
• 采用幺正涌现波方法计算 T-矩阵，提取相移和共振极点。
• 在复能平面中进行极点搜索，以确定共振态的质量和宽度。
• 分析每个共振态中夸克胶子态与强子-强子态的成分，以分类态为传统夸克胶子态或四价夸克态。

实验结果

研究问题

• RQ1 实验观测到的 Υ(10753) 共振态是否更适于用传统 D 波底夸克胶子态描述，还是作为动力生成的强子-强子分子态？
• RQ2 Υ(10860) 和 Υ(11020) 共振态中，夸克胶子态与强子-强子态的成分比例如何？它们是否源于 S 波或 D 波构型？
• RQ3 在 Bs(*)Bs(*) 阈值附近是否存在一个底夸克胶子态，其性质与 X(3872) 类似，提示具有四价夸克态结构？
• RQ4 I=0 底夸克胶子态在 P、D 和 F 波中的质量与宽度与实验数据及理论预期相比如何？
• RQ5 该方法能否成功再现 Υ(10753) 共振态的质量与成分？是否预测了阈值附近的额外共振态？

主要发现

• 在 S 波通道中，Υ(10753) 共振态的极点位于 10.773 GeV，与实验值 10.753 ± 0.007 GeV 非常吻合。
• Υ(10753) 共振态主要为强子-强子分子态，其中 B(*)B(*) 和 Bs(*)Bs(*) 通道贡献了 79% 的成分，表明其具有四价夸克态的特征。
• 在 D 波中发现一个位于 10.808 GeV 的共振态，量子数为 J̃=2, n=3，靠近 Υ(10860)，提示其可能是 5S 态的 D 波对应态。
• Υ(11020) 共振态被解释为双重态，在 S 波（J̃=0, n=7）和 D 波（J̃=2, n=4）通道中均存在极点，提示可能存在混合或简并。
• 在接近 Bs(*)Bs(*) 阈值处发现一个 J̃=2, n=3 的态，其中 79% 成分为强子-强子态，21% 成分为夸克胶子态，提示其为 X(3872) 的底夸克胶子对应物。
• 研究识别出多个具有显著强子-强子成分的共振态，表明多个观测到的底夸克胶子态可能为动力生成的四价夸克态，而非传统夸克胶子态。