[论文解读] Systematic Study of Hadronic Molecules in the Heavy-Quark Sector

Martin Cleven|arXiv (Cornell University)|May 16, 2014

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 4

一句话总结

本论文研究了重夸克体系中的强子分子态，提出$D_{s0}^{*}$和$D_{s1}$共振态可解释为$DK$和$D^{*}K$分子态，而$Z_b(10610)$与$Z_b(10650)$则被解释为$B^{*}\bar{B}+c.c.$与$B^{*}\bar{B}^{*}$分子态。通过使用手征对称性和重夸克对称性，该研究预测在分子图像下，$D_{sJ}$态的强子衰变宽度将增强一个数量级，为实验提供了关键判据。

ABSTRACT

In this work we study the properties of hadronic molecules in the heavy-quark sector. These have become increasingly important since from the beginning of this century a large number of states have been measured that for different reasons do not fit the predictions of simple quark models. In particular we discuss two candidates in the open charm sector, $D_{s0}^*(2317)$ and $D_{s1}(2460)$, and two candidates in the bottomonium sector, $Z_b(10610)$ and $Z_b(10650)$. Theorists have proposed different explanations for these states including tetraquarks, hybrids, hadro-quarkonia and, subject of this work, hadronic molecules. The study of these new states promises to provide insights in an important field of modern physics, the formation of matter by the strong force. Hadronic molecules are bound systems of hadrons in the same way two nucleons form the deuteron. For this the molecular states need to be located close to $S$-wave thresholds of their constituents. The dynamics of their constituents will have a significant impact on the molecules which allows us to make predictions that are unique features of the molecular assignment.

研究动机与目标

• 研究在开放粲夸克与底夸克介子谱中新发现的、不符合标准夸克模型预言的强子态的分子性质。
• 确定$D_{s0}^{*}$与$D_{s1}$是否可通过单位化手征微扰论在$DK$与$D^{*}K$散射 amplitude 中生成为束缚态。
• 利用非相对论有效场论评估$Z_b(10610)$与$Z_b(10650)$作为$B^{*}\bar{B}+c.c.$与$B^{*}\bar{B}^{*}$分子态的分子图像。
• 识别可实验测量的物理量——特别是衰变宽度——以区分分子态与紧凑四价夸克态。
• 为PANDA实验与B工厂未来的实验提供预测框架，包括不变质量谱与衰变分支比。

提出的方法

• 采用单位化手征微扰论，在$DK$与$D^{*}K$散射 amplitude 中生成$D_{s0}^{*}$与$D_{s1}$的极点，并引入手征对称性约束。
• 利用重夸克对称性抑制$D^{(*)}K$体系中的自旋依赖相互作用，从而支持$D_{s0}^{*}$与$D_{s1}$的分子态赋值。
• 应用非相对论有效场论（NREFT）计算$Z_b^{(\prime)}$态衰变为$\Upsilon\pi$、$h_b\pi$与$\chi_b\gamma$末态的两体衰变振幅。
• 利用相对论与非相对论拉格朗日量计算电磁衰变与强子衰变宽度，并采用张量约化技术处理圈积分。
• 采用Flatté参数化形式代替Breit-Wigner形式来建模不变质量谱，以准确描述近阈态。
• 研究分子态极点对轻夸克质量（上/下夸克与奇异夸克）的依赖性，从而实现与格点QCD计算的对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在手征微扰论框架下，$D_{s0}^{*}$与$D_{s1}$态是否可动态生成为$DK$与$D^{*}K$分子态？
• RQ2 与紧凑$c\bar{s}$态相比，分子态$D_{sJ}$在强子衰变与电磁衰变中是否具有独特的衰变特征？
• RQ3 $Z_b(10610)$态是否最宜解释为$B^{*}\bar{B}+c.c.$分子态？其衰变为$\Upsilon\pi$与$h_b\pi$是否支持该解释？
• RQ4 $Z_b^{(\prime)}$态的不变质量分布与标准Breit-Wigner形式相比有何偏差？在开放阈值附近，何种描述形式最为合适？
• RQ5 在分子图像下，哪些新衰变道（如$\chi_b\gamma$）是可访问的，并可能在下一代B工厂中被观测到？

主要发现

• 在分子图像下，$D_{s0}^{*}$与$D_{s1}$的强子衰变宽度预测比紧凑四价夸克模型大一个数量级，为实验提供了关键判据。
• 在分子态与紧凑态解释下，$D_{s0}^{*}\to D_{s}\gamma$与$D_{s1}\to D_{s}^{*}\gamma$的电磁衰变率相近，因此对态的赋值不敏感。
• 当将$Z_b(10610)$与$Z_b(10650)$建模为$B^{*}\bar{B}+c.c.$与$B^{*}\bar{B}^{*}$分子态，且极点位于相应阈值以下时，可重现Belle实验组的不变质量谱。
• Flatté参数化被证明对准确描述近阈值$Z_b^{(\prime)}$态的线形至关重要，而标准Breit-Wigner形式则不适用。
• $Z_b^{(\prime)}\to \chi_{bJ}\gamma$的分支比预测足够大，可在未来B工厂中被探测，为分子假设提供关键检验。
• $D_{sJ}$态的极点随奇异夸克与轻夸克质量的变化而移动，使得其可与格点QCD计算直接对比，从而验证分子模型。