научная статья по теме ФИЗИКА ДВАЖДЫ ТЯЖЕЛЫХ БАРИОНОВ Физика

Текст научной статьи на тему «ФИЗИКА ДВАЖДЫ ТЯЖЕЛЫХ БАРИОНОВ»

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2009, том 72, № 3, с. 565-571

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

ФИЗИКА ДВАЖДЫ ТЯЖЕЛЫХ БАРИОНОВ

© 2009 г. А. К. Лиходед*

Институт физики высоких энергий, Протвино, Россия Поступила в редакцию 21.03.2008 г.

Представлено краткое описание свойств и механизмов рождения дважды тяжелых барионов. PACS:12.39.Hg, 13.30.Ce, 13.30.Eg

1. СПЕКТР МАСС БАРИОНОВ С ДВУМЯ ТЯЖЕЛЫМИ кварками

Барионы, содержащие два тяжелых кварка, естественным образом продолжают ряд долгожи-вущих адронов с тяжелыми кварками. В отличие от систем с одним тяжелым кварком, где имеет место два масштаба

mQ » ЛQCD,

(1)

в барионах с двумя тяжелыми кварками наличие тяжелого дикварка приводит к возникновению иерархии масштабов

Шд » ШдУ » тду2 » ЛQCD) (2)

где V — относительная скорость тяжелых кварков. Это в свою очередь приводит к значительному упрощению динамики ^^'д-системы в адиабатическом приближении, когда VQ,VQ^ ^ vq. Тяжелый дикварк в пределе тд ^ о воспринимается легким кварком как локальный тяжелый источник глюонного поля (см. рис. 1). Возникающая аналогия с тяжело-легким мезоном (разница только в том, что дикварк имеет собственные возбуждения) позволяет реализовать двухступенчатое вычисление спектра масс. На первом этапе вычисляется спектр возбуждений дикварка, а затем учитывается его взаимодействие как целого с легким кварком. При этом в указанном пределе полный спин дик-варка является хорошо определенным, что позволяет соответствующим образом классифицировать уровни возбужденных состояний [1].

Другой метод основан на решении задачи трех тел с учетом парных взаимодействий всех кварков (см. рис. 2) и использовании вариационного метода только для основных Б-волновых состояний кварков [2].

В обоих случаях используется потенциал взаимодействия кварков, включающий линейную и

E-mail: Likhoded@ihep.ru

кулоновскую части. Оба метода с учетом различия в используемых параметризациях потенциала взаимодействия дают расхождение друг с другом для основных состояний 120 МэВ (см. табл. 1). При этом дикварк-кварковое приближение дает меньшее значение массы.

Существует независимый метод оценки масс основных состояний, основанный на использовании правил сумм в NRQCD. В пренебрежении сверхтонким расщеплением этот метод дает [19, 20]

M(Scc) = 3.47 ± 0.05 ГэВ, M(Ebc) = 6.80 ± 0.05 ГэВ, M(Ebb) = 10.07 ± 0.09 ГэВ.

(3)

(4)

(5)

Решеточная КХД [18] (см. табл. 1) приводит к значению

2+) = 3.60 ± 0.02 ГэВ.

M (Е

(6)

В методе, основанном на двухступенчатом вычислении спектра, учет зависящей от спина части потенциала производится стандартным образом, так что для тяжелого дикварка имеем

VdD (r) =

1 I LdSd

2 I 2mQ

Q

2

+ —

3 m2

1 LdSd

Q

+

+ 1

(7)

Q

Q

4L2 - 3

[6(LdSd)2 + 3(LdSd) - 2LdSd;

где Ь и — орбитальный момент и спин дикварка соответственно. Взаимодействие дикварка с легким кварком определяется следующим выражением:

(0 = 1 LSd LSi_

SD A I о™ 2 ' 2m?

4\2m2Q

Q

dV (r) 8 1 x 1--+

rdr 3 r3

Q

1

1

+ -

3 mQmi

3

r

X

1

1

X

3

r

X

566

ЛИХОДЕД

Рис. 1. Кварк-дикварковая модель.

(ЪБй + 2Ъ8г) 4 1

х-г--Ь -а3-

г3 3 3шдшг

х 8г[47гй(г)] - 1а,—-

1

3 ШдШ[ 4Ъ2 — 3

2г\2

(Бй + Ъ) х

[6(Ь8)2 +

+ 3(ЪБ) — 2Ъ2Б2 — 6(ЪБй)2 —

-3(1^)+ 21^]^,

где Ъ — орбитальный момент легкого кварка относительно дикварка, Бг — спин легкого кварка, а

Б = Бй + Бг. (9)

Интересно сравнить величины сверхтонкого расщепления в разных подходах. Как видно из табл. 2, типичное предсказание в потенциальных моделях для величины Адд> = Мд* — ,

оказывается выше, чем в решетчатой КХД. Так, для Нсс-бариона Дсс ~ 120 МэВ, что согласуется с вычислениями в QCDEFT [21], где

Дсс = 120 ± 40 MэВ,

(10)

но ниже, чем в решеточной КХД, где Дсс ~ ~ 80 МэВ [19]. Интересное явление возникает в картине дикварк-кваркового взаимодействия.

В этом случае уровень 2Р1Б(,1Р = 3/2-, 1/2-) Нсс(3702) (Р-волновое возбуждение дикварка и Б -волновое состояние легкого кварка относительно дикварка) является метастабильным, поскольку для перехода на основной уровень требуется одновременно изменить орбитальный момент и суммарный спин двух тождественных тяжелых кварков в дикварке.

Таким образом, в настоящее время мы имеем достаточно надежные предсказания спектра масс основных и возбужденных уровней дважды тяжелых барионов. Предсказания моделей варьируются в пределах 100 МэВ, что связано в основном с неопределенностью в значениях масс тяжелых кварков.

и, I

Спектаторный механизм

Паули-интерференция

Электрослабое рассеяние

•Р

Рис. 2. Модель трех кварков с парным взаимодействием.

Рис. 3. Диаграммы, описывающие различные механизмы распадов.

и

ФИЗИКА ДВАЖДЫ ТЯЖЕЛЫХ БАРИОНОВ 567

Таблица 1. Спектр масс дважды тяжелых барионов (в МэВ)

Литература 1—'СС 1—1 СС -ьь "ЬЬ ^Ьс "Ьс "Ьс

[3] 3612+17 3706+23 1019711? 10 236^7 6919±£7 6948^7 6986^4

[4] 3607+24 - 10194±^ - 6915±^7 - -

[5] 3620 3727 10 202 10 237 6933 6963 6980

[6] 3480 3610 10 090 10130 6820 6850 6900

[7] 3690 - 10160 - 6960 - -

[8] 3740 3860 10 300 10 340 7010 7070 7100

[9] 3646 3733 - - - - -

[10] 3524 3548 - - - - -

[П] 3478 3610 10 093 10133 6820 6850 6900

[12] 3660 3810 10 230 10 280 6950 7000 7020

[13] 3660 ± 70 3470 ± 80 10 340 ± 100 10 370 ± 100 6965 ± 90 7065 ± 90 7060 ± 90

[14] 3610 3680 - - - - -

[15] 3588 ± 72 - - - - - -

[16] - - 10 314 ±47 - - - -

[17] 3605 ± 23 3685 ± 23 - - - - -

[18] 3549 ± 95 3641 ± 97 - - - - -

Таблица 2. Сверхтонкое расщепление уровней дважды тяжелых барионов (в МэВ)

Литература ДМно*о ~ъъ "Ьс ДМп/ "Ьс дмп.е АМП1ь ДМП. Ьс АМПЬ Ьс

[3] 9415п 39^ 29Ц 81+11 — 19 37^ ои_16 23 ±1

[5] 107 35 47 30 94 30 42 28

[6] 130 40 80 30 100 20 80 20

[8] 120 40 90 60 140 40 80 60

[П] 132 40 80 30 100 20 80 20

[12] 150 50 70 50 130 40 60 40

[21] 120 ± 40 34 ±4 - - - - - -

[15] 70 ± 13 20 ±7 43 ± И 9 ± 7 63 ±9 19 ±5 39 ±8 9 ± 6

[16] - 20 ±6 - - - 20 ±5 - -

[17] 80 ±11 - - - 68 ±7 - - -

[18] 87 ± 19 - - - 67 ± 16 - - -

568

ЛИХОДЕД

Таблица 3. Вклады различных механизмов распада во время жизни дважды тяжелых барионов

Мода распада Ширина, пс 1 Вклад, %

1—сс 1—1 СС

2.894 124 32

с —> ве+г/ 0.380 16 4

Р1 -1.317 -56 -

5.254 - 59

2.337 100 -

Т1 и 8.909 - 100

где

2 Ор т^ Гс = ^ 192^"'

К = -

О, =

Сц

,(у)

М

2т,

Си . о Сг

4т,

Е, = К + Ос

г(у)

ем

(15)

(16) (17)

символ "о" означает электрический заряд бариона, зависящий от аромата легкого кварка, а спинор су — стандартное поле в эффективной теории тяжелых кварков:

с(х) = ехр(—гте ух)

1 +

2тг

Су (х). (18)

2. ВРЕМЯ ЖИЗНИ ДВАЖДЫ ТЯЖЕЛЫХ БАРИОНОВ

2.1. Время жизни барионов с двумя тяжелыми кварками

В рамках кварк-адронной дуальности оптическая теорема позволяет связать полную ширину Г распада частицы с мнимой частью амплитуды рассеяния вперед:

Г(-<5<5') = 2<Э<Э')' О1)

где оператор Т определяется формулой

Т = 1шУ (4хТ (Яей(х)Яей(О)} , (12)

Иед — стандартный эффективный слабый гамильтониан 4-фермионного взаимодействия.

В распадах тяжелых кварков выделяемая энергия велика по сравнению с Лдсэ, что позволяет разложить Иед в ряд по локальным операторам, подавленным обратной степенью массы тяжелого кварка.

На рис. 3 изображены диаграммы, отвечающие ведущим вкладам в ширину распада адрона: спек-таторному, паули-интерференции и электрослабому рассеянию. Вклад полулептонных мод в полную ширину распада барионов (в качестве примера рассмотрим Нее-барион) определяется выражением

Г51 = 4Ге ({1 — 8р + 8р3 — р4 — 12р2 1п р} + (13)

+ Ее {5 — 24р + 24р2 — 8р3 + 3р4 — 12р2 1п р} + + Кс{—6 + 32р — 24р2 — 2р4 + 24р2 1п р} + + Ое{—2 + 16р — 16р3 + 2р4 + 24р2 1п р}),

В табл. 3 приведены вклады различных мод распада в полную ширину дважды очарованных ба-рионов. Из таблицы видно, что вклад эффектов интерференции Паули (Р1) и электрослабого распада (WS) достигает 60% от полной ширины. Этим объясняется значительное различие во временах жизни Н++- и Н+-барионов (см. табл. 4) [22].

2.2. Эксклюзивные моды распада в правилах сумм

мцдсо

Переход 1/2—1/2 описывается шестью форм-факторами:

(Ир (Ре \И (Р1 )> =

(19)

= и(рр ){Ъ О\ + у! + < О^ +

II I 2 1 ^ '

+ + у! ОА + уР ОА )}и(р!),

где О — формфакторы, а уI, ур — 4-скорости начального и конечного барионов.

Спиновая симметрия для тяжелых кварков позволяет описать полулептонные распады: в этом пределе сильно сокращается число независимых формфакторов, и они сводятся к одной универсальной функции. При малой отдаче, когда 4-скорости барионов у1 и ур мало отличаются друг от друга, а их скалярное произведение ш = (у1 ур) ^ 1, лишь два формфактора из шести не подавлены массой тяжелого кварка:

О\ = ОА = £(ш). (20)

При этом требование сохранения векторного тока приводит к условию

£(1) = 1.

(21)

(14)

При нулевой отдаче редуцированный матричный элемент определяется из уравнения

11

ГМ =

(2п)2 8М/мР

(22)

ФИЗИКА ДВАЖДЫ ТЯЖЕЛЫХ БАРИОНОВ Таблица 4. Времена жизни дважды тяжелых барионов

Барион г, пс Барион т, пс Барион т, пс

"ее 0.46 ±0.05 H 0.30 ±0.04 "0 "ЬЬ 0.79 ±0.02

1—1 с 0.16 ±0.05 "0 "Ьс 0.27 ±0.03 "ЬЬ 0.80 ±0.02

0.27 ±0.06 0.22 ±0.04 Пъь 0.80 ±0.02

Таблица 5. Нормировка функции Изгура—Вайзе в эксклюзивных распадах

импульса:

Мода распада £(1), правила сумм ^(1), потенциальная модель

Еьь —> 2ьс 0.85 0.91

1—Ьс ^ 1—сс 0.91 0.99

1—Ьс ^ 1— 0.90 0.99

1—>сс ^ 1—1св 0.99 1.00

х

" I " F

У У p(si,sF,q2)dsIdsF x

(mi +тз)2 (mi +m2)2

x exp ( —

si — Mf

B2

exp —

sF - Mf,

dF

где р — спектральная плотность, Б^р — параметры борелевского преобразования по инвариантным квадратам масс в начальном и конечном состояниях, а — константы связи барионов с токами кварков. В табл. 5 приведена нормировка форм-фактора Изгура—Вайзе £(1) при нулевой отдаче в правилах сумм КХД и в потенциальной модели.

Для расчета эксклюзивных ширин необходимо задать зависимость формфактора от переданного

ем = е(1)

1 — q2/т2

(23)

pole

где тро1е(Ь ^ с) = 6.3 ГэВ, а тр01е(с ^ в) = = 1.85 ГэВ.

Результаты вычисления вероятностей эксклюзивных распадов барионов с двумя тяжелыми кварками приведены в табл. 6.

3. РОЖДЕНИЕ ДВАЖДЫ ТЯЖЕЛЫХ БАРИОНОВ

Оставаясь в рамках дикварк-кваркового приближ

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком