[论文解读] The nature of charged charmonium-like states $Z_c(3900)$ and its strange partner $Z_{cs}(3982)$

M. C. Du, Qian Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2020

Molecular spectroscopy and chiralityChemistry被引用 18

一句话总结

本文利用具有 SU(3) 阻尼对称性和重夸克自旋对称性的有效场论框架，研究了带电的 charmonium 类态 $Z_c(3900)$ 及其奇异伙伴 $Z_{cs}(3982)$ 的性质。通过分析 $e^+e^-$ 湮灭过程中的不变质量分布和 Jackson 角分布，作者识别出真实的极点结构——表明存在束缚态或虚态——从而证实 $Z_c(3900)$ 和 $Z_{cs}(3982)$ 均为动态生成的强子分子态，其中 $Z_{cs}(3982)$ 尤其对 $S$-波开放阈值敏感。

ABSTRACT

The observation of $Z_{cs}(3985)$ by BESIII in the $D_s^{*-}D^0$ and $D_s^{-}D^{*0}$ channel adds important dynamic information for a coherent understanding of both $Z_c(3900)$ and $Z_c(4020)$, as well as their strange partners $Z_{cs}(3985)$ and $Z_{cs}(4120)$, on the basis of heavy quark spin symmetry. With an overall short-ranged contact potential in SU(3) flavor symmetry we show that the pole structures can be extracted from the experimental data. Meanwhile, we show the key role played by the $S$-wave open thresholds in $e^+e^-$ annihilations which are correlated with the production of these $Z$ states in a hadronic molecule picture. Implications of their scalar heavy quark spin partners $W_{c0,1,2}$ and $W_{cs0,1,2}$ are also gained.

研究动机与目标

• 利用 BESIII 实验数据，确定 $Z_c(3900)$ 和 $Z_{cs}(3982)$ 的动力学本质。
• 通过复能级平面上的极点结构分析，判断这些态是束缚态、虚态还是共振态。
• 探讨 $e^+e^-$ 湮灭过程中 $S$-波开放阈值在生成这些奇特态中的作用。
• 预测重夸克自旋对称性伙伴 $W_{c0,1,2}$ 和 $W_{cs0,1,2}$ 的存在及其性质，为未来实验搜索提供依据。

提出的方法

• 采用具有短程接触相互作用的有效场论，以描述强子分子的动力学行为。
• 应用 SU(3) 阻尼对称性和重夸克自旋对称性，关联 charmonium 类态及其奇异伙伴。
• 拟合 $e^+e^-$ 数据中的不变质量分布和 Jackson 角分布，以提取 $S$-波和 $D$-波通道中的产生振幅。
• 将 $D\bar{D}^*$、$D_s\bar{D}^{*}$ 及相关通道的 $S$-波开放阈值作为约束极点位置的关键条件。
• 在复能级平面上分析极点结构，以区分束缚态、虚态与共振态。
• 基于对称性与极点行为，预测重夸克自旋伙伴 $W_{c0,1,2}$ 和 $W_{cs0,1,2}$ 的衰变道，如 $J/\psi\pi\pi$ 和 $\eta_c\pi$。

实验结果

研究问题

• RQ1 $Z_c(3900)$ 和 $Z_{cs}(3982)$ 在复能级平面上是否表现出真实的极点结构，表明其并非动量空间的赝象？
• RQ2 $e^+e^-$ 湮灭过程中 $S$-波开放阈值如何影响这些奇特态的产生与稳定性？
• RQ3 是否可用相同的动力学机制解释 $Z_c(3900)$ 和 $Z_{cs}(3982)$ 及其自旋伙伴？
• RQ4 基于从数据中提取的极点位置，$Z_c(3900)$ 和 $Z_{cs}(3982)$ 态的本质（束缚态、虚态或共振态）为何？
• RQ5 $W_{c0,1,2}$ 和 $W_{cs0,1,2}$ 的性质是什么？如何在实验中寻找它们？

主要发现

• $Z_c(3900)$ 态被确认为真实态，在最优拟合方案（方案 III）中其结合能为 75.2 MeV，表明其为深度虚态或束缚态。
• $Z_{cs}(3982)$ 态被发现为真实态，可能为虚态或束缚态，其显著的极点结构位于 $D_s\bar{D}^{*}$ 阈值之上。
• $e^+e^-$ 湮灭过程中的 $S$-波开放阈值在生成观测到的 $Z_c$ 和 $Z_{cs}$ 信号中起关键作用，与三角 singularity 机制一致。
• 重夸克自旋对称性伙伴 $W_{cs0}$ 被预测为束缚态，结合能为 31.8 MeV，其衰变道包括 $J/\psi K\pi$ 和 $\eta_c K$。
• $W_{c0}$ 和 $W_{cs0}$ 在所有方案中均被发现为束缚态，其中 $W_{c0}$ 在方案 I 中结合能为 0.3 MeV，在方案 III 中为 47.0 MeV。
• 在 $\sqrt{s} = 4.68$ GeV 时，$e^+e^- \to K^+ D_s^{*-} D^{*0}$ 过程中缺失的 $K^+$ 谱形在不同拟合方案下表现出显著的线形差异，支持 $Z_{cs}(4120)$ 为真实态的存在。