從晶格量子色動力學探討同位旋為 1 的雙粲四夸克通道

核心概念

本研究利用晶格量子色動力學模擬，發現同位旋為 1 的雙粲四夸克通道 (cc¯q¯q, q=u, d) 在 DD∗閾值附近呈現排斥交互作用，不支持束縛態的存在，此結果與 LHCb 的實驗結果一致。

摘要

論文資訊

標題：從晶格量子色動力學探討同位旋為 1 的雙粲四夸克通道
作者：Lu Meng, Emmanuel Ortiz-Pacheco, Vadim Baru 等人
發表日期：2024 年 11 月 9 日

研究目的

本研究旨在利用晶格量子色動力學模擬，探討同位旋為 1 的雙粲四夸克通道 (cc¯q¯q, q=u, d) 的交互作用性質，並與已知的同位旋為 0 的 Tcc 四夸克進行比較。

研究方法

• 本研究使用兩個 CLS 組態，分別具有 24^3 和 32^3 的空間體積，以及 280 MeV 的π介子質量。
• 研究人員計算了五種不同粲夸克質量下的 DD∗散射振幅，並使用標準的 Lüscher 方法和基於有效場論的方法來分析有限體積效應。
• 研究人員還分析了不同 Wick 收縮對交互作用的貢獻，以了解同位旋 0 和 1 通道之間差異的來源。

主要發現

• 研究結果顯示，在所有模擬的粲夸克質量下，同位旋為 1 的 DD∗通道在 DD∗閾值附近都呈現排斥交互作用。
• 散射振幅分析顯示，在 DD∗閾值附近的能量區域內沒有極點，這表明在該通道中不存在束縛態。
• 研究發現，類似於 D 和 D∗之間 t 通道同位旋向量介子交換的 Wick 收縮，在區分同位旋 0 和 1 通道方面起著關鍵作用，導致同位旋 1 通道中的排斥作用和同位旋 0 通道中的吸引作用。

主要結論

本研究的結果表明，同位旋為 1 的雙粲四夸克通道中不存在束縛態，這與 LHCb 的實驗結果一致。 Wick 收縮分析表明，t 通道同位旋向量介子交換可能是導致同位旋 0 和 1 通道之間差異的主要原因。

研究意義

本研究為理解雙粲四夸克的性質提供了重要的理論依據，並突出了晶格量子色動力學在研究奇異強子方面的作用。

研究限制與未來方向

• 本研究僅考慮了單通道 DD∗散射，未來可以進一步研究耦合通道效應。
• 可以使用更輕的π介子質量和更大的晶格體積來提高計算精度。

統計資料

本研究使用了兩個 CLS 組態，π介子質量為 280 MeV。
研究人員模擬了五種不同的粲夸克質量。
研究結果顯示，同位旋為 1 的 DD∗通道在 DD∗閾值附近呈現排斥交互作用。

引述

"Experimentally, the doubly charm tetraquark channel cc¯q¯q with q =u, d features an exotic hadron, Tcc, with isospin I =0 near the DD∗threshold, while no peak was observed for I =1."
"These energies are used to compute the DD∗scattering amplitude using both the standard L¨uscher method and the recently proposed effective-field-theory-based approach in the plane-wave basis, which incorporates the long-range interactions and the left-hand cut. Both analyses reaffirm the repulsive interaction resulting in a scattering amplitude that does not feature any poles in the energy region near the DD∗threshold, in line with LHCb results."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Doubly charm tetraquark channel with isospin $1$ from lattice QCD

by Lu Meng, Emm... 於 arxiv.org 11-12-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.06266.pdf

深入探究

這個研究結果如何影響我們對其他多夸克態的理解？

這個研究結果表明，輕夸克對雙重味四夸克態的形成起著至關重要的作用。

研究發現，I=1的雙粲四夸克態cc¯u¯d系統中，D介子與D*介子之間表現為排斥力，不存在束縛態。這與I=0的雙粲四夸克態Tcc形成鮮明對比，後者在實驗上已被觀測到，且理論計算表明其為DD*分子態或近閾共振態。
這種差異主要源於輕夸克對組態的不同。I=0的Tcc中，輕夸克對為[¯u¯d]，處於isospin singlet態，自旋為0，被稱為"好"雙夸克；而I=1的cc¯u¯d系統中，輕夸克對為[¯u¯d]，處於isospin triplet態，自旋為1，被稱為"壞"雙夸克。 "好"雙夸克的能量更低，更容易形成束縛態。
因此，該研究結果表明，輕夸克對的isospin和自旋構型對多夸克態的形成和性質有著重要影響。這為理解其他多夸克態，例如隱粲四夸克態、雙底四夸克態等提供了重要參考。

如果在模擬中考慮了耦合通道效應，是否可能出現束縛態？

考慮耦合通道效應後，I=1的雙粲四夸克態cc¯u¯d系統中出現束縛態的可能性很小。

本研究已經考慮了S波和P波散射的耦合，發現P波的貢獻很小，不足以改變系統的排斥性。
其他可能的耦合通道，例如D*D*通道，其閾值更高，對近閾能量區域的影響有限。
更重要的是，如前所述，輕夸克對的構型是決定系統性質的關鍵因素。I=1通道中的"壞"雙夸克不利於形成束縛態，即使考慮耦合通道效應，也很難改變這一結論。
當然，耦合通道效應的具體影響需要更精確的計算才能確定。但基於目前的認識，I=1的雙粲四夸克態cc¯u¯d系統不太可能形成束縛態。

這個研究結果對於理解強交互作用的底層機制有何啟示？

這個研究結果表明，強交互作用在多夸克系統中的作用机制非常复杂，需要更深入的研究才能完全理解。

一方面，该研究结果支持了夸克模型的预测，即"好"双夸克更容易形成束缚态。 这表明夸克模型在描述强子内部结构方面仍然具有一定的有效性。
另一方面，该研究也揭示了强相互作用中多体效应的重要性。 轻夸克对的isospin和自旋构型、不同介子-介子散射通道之间的耦合等因素，都对多夸克态的性质产生了重要影响。
因此，要真正理解强相互作用的底层机制，需要发展更精确的理论方法，例如格点QCD和有效场论，并结合更丰富的实验数据，才能最终揭示多夸克态的奥秘。