[论文解读] The doubly heavies: (Qbar Q qbar q), (Q Q qbar qbar) tetraquarks and (Q Q q) baryons

Marek Karliner, S. Nussinov|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2013

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 15被引用 9

一句话总结

本文提出，双重重味四价子（QQ̄qq̄）和重子（QQq）通过新型色网络实现稳定，其中QQ二夸克通过强库仑相互作用结合。在大Nc极限下，这些态是靠近两介子阈值的窄共振态，实验信号通过衰变为J/ψππ或Υππ被预测，其中双重重味重子作为探测四价子性质的关键工具。

ABSTRACT

Recent discoveries by Belle and BESIII of charged exotic quarkonium-like resonances provide fresh impetus for study of heavy exotic hadrons. In the limit N_c --> infinity, M_Q --> infinity, the (Qbar Q qbar q') tetraquarks (TQ-s) are expected to be narrow and slightly below or above the (Qbar q') and (Q qbar) two-meson threshold. The isoscalar TQ-s manifest themselves by decay to (Qbar Q) pi pi, and the ~30 MeV heavier charged isotriplet TQ-s by decays into (Qbar Q) pi. The new data strongly suggest that the real world with N_c=3, Q=c,b and q,q' = u,d is qualitatively described by the above limit. We discuss the relevant theoretical estimates and suggest new signatures for TQ-s in light of the recent discoveries. We also consider "baryon-like" states (Q Q' qbar qbar'), which if found will be direct evidence not just for near-threshold binding of two heavy mesons, but for genuine tetraquarks with novel color networks. We stress the importance of experimental search for doubly-heavy baryons in this context.

研究动机与目标

• 理解在大Nc极限和重夸克极限下双重重味四价子（QQ̄qq̄）和重子（QQq）的稳定性与衰变性质。
• 通过QQ̄qq̄四价子中新型色构型导致的衰变抑制，解释近期观测到的奇特共振态（如Zc(3900)和Zb(10610)）的窄宽度。
• 建立一个理论框架，通过质量总和规则将双重重味重子（QQq）与奇特QQ̄qq̄四价子的性质联系起来。
• 识别这些态的实验信号，特别是J/ψππ和Υππ末态，并倡导在这些通道中开展专门的搜索。

提出的方法

• 在大Nc极限下分析QQ̄qq̄四价子，其中两介子阈值占主导地位，衰变宽度因1/Nc而被抑制。
• 利用大Nc极限表明，QQ二夸克通过库仑相互作用结合，结合能尺度为E_b(QQ) = (1/8)αs²MQ，从而实现强结合。
• 应用质量总和规则：m(QQ̄qq̄) = m(QQq) + m(Λc) - m(D⁰) - (1/4)[m(D*) - m(D)]，将四价子与重子的质量联系起来。
• 考虑介子交换（π, ρ）在结合中的作用，表明同位旋标量态因同位旋结构而结合更紧密。
• 通过色重排评估衰变抑制，认为分子态可能性较低，因ω/ρ交换具有排斥性，更支持真正的四价子构型。
• 将QQ̄qq̄四价子的结构与双重重味重子（QQq）进行比较，利用重子质量数据作为四价子质量预测的输入。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过QQ̄qq̄四价子中新型色网络导致的衰变抑制，解释最近观测到的Zc(3900)和Zb(10610)共振态的窄宽度？
• RQ2 观测到的Zc(3900)质量接近D*D阈值，是否支持其为四价子态而非分子分子态？
• RQ3 通过所提出的质量总和规则，双重重味重子（QQq）的性质如何提供关于QQ̄qq̄四价子质量与结构的信息？
• RQ4 为区分DD*和BB*体系中真正的四价子与分子态，应寻找何种实验信号？

主要发现

• QQ̄qq̄四价子中的QQ二夸克结合能为E_b(QQ) = (1/8)αs²MQ，导致在大MQ极限下实现强结合。
• ccūd四价子的预测质量约为3900 MeV，仅高于D*D阈值30 MeV，与Zc(3900)共振态一致。
• 由于同位旋标量通道中结合更强（增强3倍），J/ψππ衰变对同位旋标量态被增强，而同位旋矢量态的J/ψπ衰变则被抑制。
• Zc(3900)的宽度估计约为30 MeV，与弱结合的D*D共振态一致，支持其为四价子或分子态的解释。
• 由于ω/ρ交换的排斥作用，D*D束缚态无法形成，表明Zc(3900)不可能是分子态，更支持具有连通色结构的真实四价子。
• 实验观测双重重味重子（QQq）至关重要，因其质量可用于预测和约束奇特QQ̄qq̄四价子的性质。