Institute of Theoretical Physics

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1 Institute of Theoretical Physics
最近发现新粒子的物理解释 Shi-Lin Zhu Institute of Theoretical Physics Peking University HEP Conference，October 28, 2006 In Memory of Our Colleague Prof X.-Q. Luo

2 Outline QCD，Hadron Physics, & Quark Model Charm-Strange Mesons
Dsj(2317, 2460, 2632) Charmonium X(3872, 3940) Y(3940, 4260, 4320) Z(3930) Light Hadrons & BES’s observations Hybrid, Scalars, Glueballs X(1860)/X(1835) X(1810) X(1576) Summary 报告内容只包括通 常夸克模型可能容纳 不下的新强子态

3 QCD 与强子物理 QCD：强相互作用的基本理论 强子：参与强相互作用的由夸克胶子构成的色单态粒子。 QCD的三个基本性质:
1 QCD 与强子物理 QCD：强相互作用的基本理论 强子：参与强相互作用的由夸克胶子构成的色单态粒子。 QCD的三个基本性质: 渐进自由 (2004 NP; Gross, Wilczek, Politzer) 色禁闭  没有自由夸克与胶子 手征对称性的自发破缺 色禁闭 与手征对称性的自发破缺均涉及QCD的低能行为 强子物理 QCD的高能行为已被精确检验（up to 0.1% accuracy） QCD的低能行为人们仍然了解有限

4 研究强子物理的意义 强子作为微观物质世界的一个层次，它的运动规律有其特殊性。（宇观，宏观，介观，原子分子，原子核，强子，夸克胶子轻子…）
2 研究强子物理的意义 强子作为微观物质世界的一个层次，它的运动规律有其特殊性。（宇观，宏观，介观，原子分子，原子核，强子，夸克胶子轻子…） 由于没有自由夸克和胶子，标准模型的精确检验与新物理的寻找需要强子物理的知识如PDF。研究强子物理对新物理的寻找有促进作用。 宇宙中几乎所有可见物质（由核子电子构成）的质量都起源于QCD的低能非微扰相互作用。核子质量为938MeV，Higgs机制只贡献了大约20MeV的流夸克质量。研究强子物理对研究物质质量的起源有帮助。 研究强子物理对理解色禁闭与手征对称性机制，深入理解QCD的低能行为会有极大帮助。

5 夸克模型与QCD 3 QCD在低能区高度非微扰，目前无法解析求解强子谱 夸克模型作为唯象模型，缺少严格的理论基础，不能从QCD导出，但是在强子谱的分类方面仍然非常成功 介子: 夸克反夸克束缚态 重子：三个夸克束缚态 寻找超出夸克模型的强子态是谱学研究中持续了几十年的热点。但截至目前，没有无争议的正面结果 QCD 原则上可能允许存在比夸克模型更丰富的强子谱，如： 胶球: GG, GGG …； 混杂态: ，qqqG ； 多夸克态； 强子分子态 … 超出夸克模型的强子态的实验寻找： 通过强子具有的奇特量子数寻找，介子 JPC=0--, 0+-, 1-+, 2+-, …；重子 S=+1等；若无奇特量子数，则通过夸克模型强子谱的overpopulation来寻找。

6 Dsj(2632) Dsj(2632): experimental artifact? 4
SELEX: hadroproduction; MeV, width <17 MeV; above threshold, very narrow; D0K+:Dseta=0.16, abnormal decay pattern Tetraquarks(?) (c s sbar sbar) tetraquark（赵；李陈) (c d dbar sbar) 由diquark 构成的tetraquark (Maiani et al.)Ds pi衰变模式？ 处于15维表示的tetraquark能解释反常衰变模式（戴刘刘朱PRD04,JHEP04） Tetraquark解释的困难 不能自洽地解释窄宽度 多重态中的伙伴在哪里？ SELEX没有看到D+K0模式，通常Tetraquark模型中D+K0 与D0K+分枝比相同 具有强烈道耦合效应的csbar态(Bereven, Rupp) 相同理论框架下的所有其它态都没有发现 D*s径向激发态+径向波函数特殊的节点位置反常衰变模式（赵） D*s径向激发态与D波态的混合反常衰变模式，窄宽度（张王） BABAR, CLEO, FOCUS报道了负面实验结果 Dsj(2632): experimental artifact?

7 Dsj(2317), Dsj(2460) 5 质量比通常夸克模型值低160MeV，在阈下，极大地偏离人们对夸克模型的心理预期；同位旋破缺的强衰变，宽度极窄 Babar组在2317MeV与2460MeV附近作过仔细扫描，没有发现质量相近粒子，不支持四夸克态图像。否则应该存在相应的多重态伙伴粒子 结合能太大分子态图像不自洽 除了质量太低，产生截面电磁与强衰变模式均与csbar图像相符(未黄朱PRD06)

8 Dsj(2317)’s Low Mass Puzzle
6 Dsj(2317)’s Low Mass Puzzle 猜测它与开道可能有一定的耦合，使得谱下移，但主要成分仍应为HQET中的普通(0+,1+) csbar态 （戴黄刘朱PRD03） Same QM as S-wave DK continuum Very close to DK threshold (46 MeV) Very large Dsj(2317)DK coupling  DK continuum contributes 40% to r(s)  lowers Dsj(2317) mass by ~80 MeV 夸克模型角度，与开道的耦合导致极强的组态混合压低了Dsj(2317) 质量（戴朱左06）

9 Belle’s X/Y/Z(3940) 7 态 反应道 质量 宽度 可能的理论解释 3940MeV附近的charmonium态

10 8 在e+e-对撞中X(3940) 对 反冲产生, 衰变成 , 而非 或 ，符合 态衰变的典型特征 但在同一反应中没有看到基态 是否 ？ 质量比夸克模型的值低了100MeV（在精度内） Y(3940)在 末态中发现，共有约56个事例，置信水平为8 在 末态中没有发现。 由于分支比 反常的大，破坏SU(3)对称性，宽度却大于7MeV，不像普通 态，所以Belle猜测它为混杂态。但作为混杂态质量可能太低。可能为artifact? Z(3930)在 过程中发现，角动量实验上确定为2，宽度主要衰变模式均与夸克模型中的 相符合，有待于在 末态确认；质量比夸克模型预言低40－100MeV。可看成夸克模型的精确程度,可用来定标。已经被PDG Summary Table收录。 若全部证实，能级排列不符合夸克模型的预期

11 Babar’s Y(4260) 9 Babar: ISR  JPC=1-- CLEO-c BaBar CLEO III
Belle (Preliminary) ~50 (events) 125  23 (~8) (4.9) 165  24(stat) (>7s) (mass) 4259  8 +2  4 4295  (width) 88  23 +6  5 133 R distribution dips around 4.26 GeV Using G(Yee)<240 eV (Mo et al, hep-ex/ ) G(Yee)B(YJ/ypp)5eV and G(Y)=88MeV implies G(YJ/ypp)>1.8 MeV  Huge!

12 10 What’s Y(4260)? From BES and recently CLEOc, G(y’’ J/ypp)50KeV If Y(4260) is charmonium, might expect comparable J/ypp widths Similar dipion transitions from (4040) or (4160) states not observed.  conventional Charmonium Y(4260) interpretation in trouble? 由PDG， JPC=1– 质量在4.5GeV以下的态已经填满 不太像由两个色单态粒子的分子态（朱PLB05） 若为四夸克态，则存在I=1,Iz=0 的Y’(4260)，Babar 没有看到；而且宽度应该在500MeV左右，主要衰变模式为 （朱PLB05） 可能为阈效应导致的cusp，非共振态 最自然的图像为混杂态，质量，衰变模式，产生截面都自洽，与所有已知实验信息都不矛盾（朱PLB05） Y(4260): 可能为混杂态? Babar’s recent observation of the broad Y(4320) via ISR in (2S) mode puts a big “?” on this interpretation

13 A Surprising Prediction 11 Yrs Ago
Y. B. Ding, K. T. Chao, D. H. Qin, PRD 51 (1995) 5064, “Possible effects of color screening and large string tension in heavy quarkonium spectra” Predicted 4S 1– charmonium eaxctly at 4262 MeV Is PDG assignment correct? Does PDG miss a 1-- state? Challenge remains: How to generate the huge J/psi pipi decay width?

14 12 The Mysterious X(3872) X(3872)，宽度极窄，在B衰变，质子反质子对撞中观测到，产生机制非常类似于psi(2S)态 通过e+e-与ISR没有观测到X(3872)，末态的角分布与双pi的质量分布已经基本确定量子数为JPC=1++ 非常靠近D0D*0bar,w J/j,r J/j的阈 作为混杂态， X(3872)质量太低 若是胶球，应该主要衰变到轻强子末态 若为四夸克态，附近应存在同位旋多重态，实验上没找到 可能为纯粹阈效应引起的cusp?(Bugg) 由pi交换与夸克交换导致的D0D*0bar分子态，波函数中还包含有w J/j,r J/j叠加成分(Swanson)，解释了初期许多实验数据。仍为当前比较流行的模型

15 X(3872)实验上确立，目前没人确切地知道它是什么
13 X(3872): Molecule vs ccbar 分子态图像仍然有几个致命问题： B0与B+衰变到X(3872)的分支比比实验值小(5-10)倍 预言的 分支比比实验小了几个数量级 预言的 的分支比比实验小了50倍 质子反质子对撞中的高产额 实际上后面几个问题都表明X(3872)波函数中 的成分可能很大，分子态图像可能不合理（赵光达等；Suzuki） X(3872)作为ccbar 的主要困难 宽度极窄 相空间的极大压低 近阈时3P0模型中的衰变强度因子g变小(赵) 质量太低 是否与开道的强耦合相关？符合所列的三个条件 X(3872)实验上确立，目前没人确切地知道它是什么

16 JPC=1-+ 轻混杂态 夸克模型中介子不可能取1-+量子数
14 夸克模型中介子不可能取1-+量子数 各种理论模型(LQCD,QSR等)均预言奇特混杂态中具有1-+量子数的态质量最轻，在( ) GeV之间，倾向于衰变到一对L=1与L=0的介子 PDG列出了两个1-+态，均为同位旋三重态 2005年Indiana组对3pi事例最新的分波分析，数据量从0.25M( )M，发现这两个态均不存在 问题：实验上如何区分奇特混杂态与四夸克态？

17 Scalars vs Glueballs 只有在大Nc极限下，胶球与普通介子完全脱耦，才可能存在纯胶球。这时胶球内的胶子数目是完全不确定的
15 Scalars vs Glueballs 只有在大Nc极限下，胶球与普通介子完全脱耦，才可能存在纯胶球。这时胶球内的胶子数目是完全不确定的 据LQCD模拟，具有奇特量子数的“纯”胶球非常重。0-+胶球的质量约为2.6 GeV。最轻的胶球为0++标量胶球，质量在( )GeV之间 在现实世界中，标量胶球与普通标量介子存在很强的混合，有用信息的抽取很困难，强烈地依赖于混合模型 BES在标量道发现了许多态： s, k, f0(980), f0(1370), f0(1500), f0(1790), f0(1810)… 问题：Scalar Puzzle vs Missing 0++ Glueball

18 X(1860) vs X(1835) If X(1835) X(1860) if X(1835) = X(1860) 16
X(1835): eta/eta’ radial excitation (黄朱PRD06） Its mass, total width, production rate and decay pattern favor eta’(3S) very naturally Or glueball (???) Axial anomaly enhances eta’ pi pi mode if X(1835) = X(1860) Very good baryonium candidate （高朱CTP06） Decaying into ppbar is only from the tail of X(1835) with tiny phase space Such a BR indicates large coupling to ppbar Suppression of strange three-body final states X(1835) and ppbar threshold enhancement may have different origins! Confirmation of X(1835) in eta pi pi mode/other modes badly needed!

19 BES’s Extremely broad X(1576)
17 BES’s Extremely broad X(1576) Observed in K+K- with JPC=1–- & IG=1+ Width ~800 MeV, If confirmed, the broadest resonance Two more charged partners to be found Tetraquark candidate? (Karliner; 阎丁;王） Fall apart decay  pi pi mode forbidden Pi phi mode important, OZI forbidden for qqbar states, no serious phase space suppression since =1976 MeV! But BES observed NO pi phi enhancement around X(1576) in the pi pi phi channel! (PLB607, 2005)

20 18 f0(1810) Observed in omega phi mode, OZI forbidden for qqbar mesons, 0++ favored not seen in omega omega mode Tetraquark (Li) Hybrid (Chao) Glueball (Mathieu et al.; Bicudo et al.) Mixture of glueball-hybrid-qqbar (LiLiLiuZeng) S-wave threshold effect? (Rosner) FSI via f0(1710)PP or SSomega phi (ZhaoZou) BES’s confirmation that it’s an independent resonance from nearby broad resonances f0(1710) and f0(1790) very very desirable!

21 Summary BESIII has excellent chance if√s reaches 4.5 GeV
19 Summary After four years’ extensive theoretical and experimental efforts The situation of Dsj mesons is clear But excited charmonium sector is still controversial BESIII has excellent chance if√s reaches 4.5 GeV With 100 times data, BESIII shall play a leading role in the search of exotic hybrid mesons, glueballs and more unexpected…

22 “QCD与强子物理2006”研讨会通知 北京大学理论物理研究所将于12月15日－16日在北京现代物理中心举办“QCD与强子物理2006”研讨会 会议将讨论近年来QCD与强子物理领域实验和理论方面的进展，包括 (1) PQCD (2) B physics; (3) lattice QCD; (4) Spectroscopy; (5) BES experiments (6) RHIC等。 热忱欢迎国内外的同行参加。