[论文解读] The anticharmed exotic baryon Theta_c and its relatives

Marek Karliner, Harry J. Lipkin|ArXiv.org|Jul 28, 2003

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文提出存在奇异的反粲五价子强子，具体为具有 $ uudd\bar{c} $ quark 组成的 $\Theta_c$ 和具有 $ uudd\bar{b} $ 组成的 $\Theta_b^+ $，采用一种二夸克-三夸克模型，通过一种非典型的色结构最小化超精细相互作用。该模型预测 $\Theta_c $ 的质量为 2985 ± 50 MeV，宽度极窄（约 21 MeV），而 $\Theta_b^+ $ 的质量为 6398 ± 50 MeV，宽度更窄（约 4 MeV），两者均可在 $ D^-p $、$ \bar{D}^0n $、$ B^0p $ 和 $ B^+n $ 的质量分布中作为窄峰被探测到。

ABSTRACT

Motivated by the recent discovery of the exotic S=+1 narrow baryon resonance Theta^+ at 1540 MeV, with quark content {uudd sbar}, we conjecture the existence of its anti-charmed analogue Theta_c, with quark content {uudd cbar}, and compute its likely properties. We rely on the recently constructed model of a novel kind of a pentaquark with an unusual color structure which provides a good approximation to the Theta^+ mass. We expect that Theta_c is an isosinglet with J^P=1/2^+ and estimate its mass at 2985 \pm 50 MeV. We also discuss another possible exotic baryon resonance containing heavy quarks, the Theta_b^+, a {uudd bbar} state, and estimate m_{Theta_b^+}=6398 \pm 50 MeV. These states should appear as unexpectedly narrow peaks in D^-p, Dbar^0 n, B^0 p and B^+ n mass distributions.

研究动机与目标

• 研究是否存在类似于最近发现的具有 $ S=+1 $ 的 $\Theta^+ $ 声子的重味奇异强子。
• 将用于 $\Theta^+ $ 的二夸克-三夸克模型扩展至预测其粲夸克和底夸克对应粒子的性质。
• 利用具有 $ P $-波激发的色磁相互作用模型，估算 $\Theta_c $ 和 $\Theta_b^+ $ 的质量和衰变宽度。
• 在 $ D^-p $、$ \bar{D}^0n $、$ B^0p $ 和 $ B^+n $ 的质量分布中识别这些态的可探测信号。

提出的方法

• 采用二夸克-三夸克模型，将 $ uudd\bar{Q} $ 系统描述为一个 $ ud $ 二夸克与一个类似 $ uds $ 的 $ I=0 $ 三夸克组成的色 singlet 绑定态。
• 使用超精细相互作用哈密顿量 $ V_{\text{hyp}} = -V(\vec{\lambda}_i \cdot \vec{\lambda}_j)(\vec{\sigma}_i \cdot \vec{\sigma}_j) $，通过有利的色-自旋耦合最小化能量。
• 在二夸克和三夸克簇之间引入 $ P $-波相对运动，以解释观测到的质量分裂，将 $\delta E^{P\text{-wave}} $ 加入基态能量。
• 利用 $ ud\bar{c} $ 和 $ ud\bar{b} $ 三夸克的有效质量和两体系统中的约化质量估算 $\Theta_c $ 和 $\Theta_b^+ $ 的质量。
• 应用衰变宽度公式 $\Gamma \sim G_0^2 \times \mathcal{C} \times \text{相空间} $，其中 $ G_0 \sim 10 $ 且 $ \mathcal{C} \sim 1/5 $，以估算宽度。
• 假设由于质量差异较大，相空间较小，因此即使在典型的强子耦合下，宽度也极窄。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将 $\Theta^+ $ 五价子模型扩展至预测含有重味反夸克的粲夸克和底夸克奇异强子的存在？
• RQ2 基于二夸克-三夸克模型和超精细相互作用，$\Theta_c $ 和 $\Theta_b^+ $ 的预测质量是多少？
• RQ3 $\Theta_c $ 和 $\Theta_b^+ $ 的预期衰变宽度是多少？是否足够窄以在实验中探测到？
• RQ4 $\Theta_c $ 和 $\Theta_b^+ $ 应在哪些强子末态中表现为窄共振态？
• RQ5 相空间和耦合强度如何影响这些奇异态的宽度？

主要发现

• 预测 $\Theta_c $ 强子的质量为 2985 ± 50 MeV，与二夸克-三夸克模型和 $ P $-波激发能量一致。
• 基于有效质量和约化质量计算，估计 $\Theta_b^+ $ 强子的质量为 6398 ± 50 MeV。
• 预测 $\Theta_c \to DN $ 的衰变宽度约为 21 MeV，表明其为窄共振态，原因在于相空间较小。
• 预测 $\Theta_b^+ \to BN $ 的衰变宽度约为 4 MeV，表明其比 $\Theta_c $ 更加窄。
• 这两种态预计会在 $ D^-p $、$ \bar{D}^0n $、$ B^0p $ 和 $ B^+n $ 的质量分布中表现为异常窄的峰，提供清晰的实验信号。
• 该模型将窄宽度归因于衰变可用的相空间极小，尽管耦合强度适中。