[论文解读] Why there are many threshold structures in hadron spectrum with heavy quarks

Xiang-Kun Dong, Feng-Kun Guo+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文利用包含开放通道的非相对论性有效场论，解释了重夸克偶素谱中近阈共振态丰度的原因。结果表明，只有当末态存在吸引力相互作用时，阈值尖点才会表现为显著的峰，且其宽度与约化质量成反比，因此当强子相互作用具有吸引力时，预测在重夸克偶素-轻强子阈值处会出现广泛存在的阈值结构。

ABSTRACT

Tremendous progress has been made experimentally in the hadron spectrum containing heavy quarks in the last two decades. It is surprising that many resonant structures are around thresholds of a pair of heavy hadrons. There should be a threshold cusp at any $S$-wave threshold. By constructing a nonrelativistic effective field theory with open channels, we discuss the generalities of threshold behavior, and offer an explanation of the abundance of near-threshold peaks in the heavy quarkonium regime. We show that the threshold cusp can show up as a peak only for channels with attractive interaction, and the width of the cusp is inversely proportional to the reduced mass relevant for the threshold. We argue that there should be threshold structures at any threshold of a pair of heavy-quark and heavy-antiquark hadrons, which have attractive interaction at threshold, in the invariant mass distribution of a heavy quarkonium and light hadrons that couple to that open-flavor hadron pair. The structure becomes more pronounced if there is a near-threshold pole. Predictions of the possible pairs are also given for the ground state heavy hadrons. Precisely measuring the threshold structures will play an important role in revealing the heavy-hadron interactions, and thus understanding the puzzling hidden-charm and hidden-bottom structures.

研究动机与目标

• 解释重夸克强子谱中观察到的大量近阈共振态丰度。
• 理解为何此类结构在隐粲和隐底夸克偶素区特别显著。
• 确定阈值尖点在不变质量分布中表现为可观测峰的条件。
• 预测在具有吸引力相互作用的重夸克与反重夸克强子对所有阈值处存在阈值结构。
• 通过识别有望观测到阈值动力学的通道，指导实验测量。

提出的方法

• 构建包含与重夸克偶素态耦合的开放味通道的非相对论性有效场论。
• 使用S波散射振幅分析阈值行为，并识别阈值尖点在不变质量分布中的作用。
• 推导出阈值尖点成为可见峰的条件：仅当末态强子间相互作用为吸引力时。
• 将尖点宽度与两体末态的约化质量关联，证明其成反比关系。
• 利用有效场论计算近阈极点存在时阈值结构的强度与形状。
• 将该形式化方法应用于预测特定强子对（如 charm 和 bottom 介子）中此类结构的出现。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在重夸克偶素谱中会观察到如此多的近阈共振态？
• RQ2 在何种条件下，阈值尖点会在不变质量分布中表现为可见峰？
• RQ3 末态强子对的约化质量如何影响阈值尖点的宽度？
• RQ4 哪些重强子对会因吸引力相互作用而产生显著的阈值结构？
• RQ5 近阈极子的存在是否能增强阈值尖点效应的可观测性？

主要发现

• 只有当末态强子相互作用为吸引力时，阈值尖点才会在重夸克偶素与轻强子的不变质量分布中表现为可观测峰。
• 阈值尖点的宽度与两体末态的约化质量成反比，使得轻系统中的尖点更窄。
• 预测在所有表现出吸引力相互作用的重夸克与反重夸克强子对的阈值处均存在阈值结构。
• 近阈极子的存在显著增强了阈值尖点的显著性，提高了其在实验数据中的可观测性。
• 针对特定的基态强子对（如 $D\bar{D}$, $B\bar{B}$, $D^*\bar{D}^*$ 等）提供了此类结构预期存在的预测。
• 精确测量这些阈值结构对于探究底层重强子相互作用并阐明隐粲与隐底态的本质至关重要。