ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近...

62
ハドロン分子におけるコンパクトな 5 クォーク 状態が作る近距離引力 山口康宏 1 in collaboration with Alessandro Giachino 2 , 保坂淳 3 , Elena Santopinto 2 , 竹内幸子 4 , 瀧澤誠 5 1 理研, 2 INFN Genova, 3 阪大 RCNP, 4 社会事業大, 5 昭和薬科大 Y.Y, A. Giachino, A. Hosaka, E. Santopinto, S. Takeuchi, M. Takizawa, arXiv:1709.00819 [hep-ph] KEK 理論センター研究会「ハドロン・原子核物理の理論研究 最前線 201721 Nov. 2017, KEK, 筑波

Transcript of ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近...

Page 1: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク状態が作る近距離引力

山口康宏1

in collaboration with

Alessandro Giachino2, 保坂淳 3, Elena Santopinto2,竹内幸子 4, 瀧澤誠 5

1理研, 2INFN Genova, 3阪大 RCNP,4社会事業大, 5昭和薬科大

Y.Y, A. Giachino, A. Hosaka, E. Santopinto, S. Takeuchi, M. Takizawa,

arXiv:1709.00819 [hep-ph]

KEK理論センター研究会「ハドロン・原子核物理の理論研究最前線 2017」

21 Nov. 2017, KEK, 筑波

Page 2: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Outline�� ��Hadronic molecules + Compact state

1 Introduction

Exotic hadronHidden-charm pentaquark

2 Model setup

Heavy Quark Spin Symmetry andOPEPCompact 5-quark potential

3 Numerical results

Hidden-charm moleculesHidden-bottom molecules

4 Summary

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 1

Page 3: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Conventional and Exotic hadronsIntroduction: Exotic hadron

Hadron: Composite particle of Quarks and Gluons

Constituent quark model (Baryon(qqq) and Meson qq) hasbeen successfully applied to the hadron spectra!#

"

!Baryon(proton,nucleon,...) Meson (π,K ,...)

Exotic hadrons? → Multiquark state#

"

!

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 2

Page 4: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Conventional and Exotic hadronsIntroduction: Exotic hadron

Hadron: Composite particle of Quarks and Gluons

Constituent quark model (Baryon(qqq) and Meson qq) hasbeen successfully applied to the hadron spectra!#

"

!Baryon(proton,nucleon,...) Meson (π,K ,...)

Exotic hadrons? → Multiquark state#

"

!21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 2

Page 5: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Observation of two hidden-charm pentaquarks !!Introduction: pentaquark

Pc(4380) and Pc(4450) obtained near DΣ∗c and D∗Σc

▷ Possible existence of Exotic baryons in the hidden-charm(hidden-bottom) sector?

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 3

Page 6: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Observation of two hidden-charm pentaquarks !!Introduction: pentaquark

Pc(4380) and Pc(4450) obtained near DΣ∗c and D∗Σc

▷ Possible existence of Exotic baryons in the hidden-charm(hidden-bottom) sector?

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 3

Page 7: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Theoretical discussions of the hidden-charm baryonsIntroduction: pentaquark�� ��Proposals of various structures!

H.X.Chen, et al., Phys.Rept.639(2016)1, A.Esposito, et al.,Phys.Rept.668(2016)1, A.Ali,et al.,PPNP97(2017)123

Compact pentaquark (ccqqq)?S.G.Yuan, et al. (2012), L.Maiani, et al, (2015),

S.Takeuchi, et al, (2017), J. Wu, et al. (2017),

...

Hadronic molecule (DΣ∗c , D

∗Σc,...)?J.-J.Wu et al., (2010) (2011), C. Garcia-Recio, et al. (2013),

R. Chen, et al. (2015), Y.Shimizu, et al. (2016) (2017),

...

Kinematical effect? Cusp?(Non-resonant explanation)

F.K.Guo, et al. (2015), X.H.Liu, et al. (2016),

...

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 4

Page 8: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Exotic states near thresholds → Molecules?Introduction: pentaquark

▷ e.g. Pc(4380), Pc(4450)→ close to the meson-baryon thresholds

Exotic state may be a loosely bound state of themeson-baryon.⇒ Analogous to atomic nuclei (Deuteron: B ∼2.2 MeV)

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 5

Page 9: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Exotic states near thresholds → Molecules?Introduction: pentaquark

▷ e.g. Pc(4380), Pc(4450)→ close to the meson-baryon thresholds

?

Exotic state may be a loosely bound state of themeson-baryon.⇒ Analogous to atomic nuclei (Deuteron: B ∼2.2 MeV)

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 5

Page 10: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Compact state: 5-quark configurationIntroduction: pentaquark

S. Takeuchi and M. Takizawa, PLB764 (2017) 254-259.Pc states by the quark cluster model

5-quark configurations

Sq3 = 1/2, 3/2, Scc = 0, 1 Sq3 = 1/2, Scc = 0, 1

[q3 8c 3/2]: Color magnetic int. is attractive!

⇒ Couplings to (qqc) baryon-(qc) meson, e.g. DΣc,are allowed!�� ��Compact state ⇔ Hadronic Molecule

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 6

Page 11: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Compact state: 5-quark configurationIntroduction: pentaquark

S. Takeuchi and M. Takizawa, PLB764 (2017) 254-259.Pc states by the quark cluster model

5-quark configurations

Sq3 = 1/2, 3/2, Scc = 0, 1 Sq3 = 1/2, Scc = 0, 1

[q3 8c 3/2]: Color magnetic int. is attractive!

⇒ Couplings to (qqc) baryon-(qc) meson, e.g. DΣc,are allowed!�� ��Compact state ⇔ Hadronic Molecule

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 6

Page 12: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Compact state: 5-quark configurationIntroduction: pentaquark

S. Takeuchi and M. Takizawa, PLB764 (2017) 254-259.Pc states by the quark cluster model

5-quark configurations

Sq3 = 1/2, 3/2, Scc = 0, 1 Sq3 = 1/2, Scc = 0, 1

[q3 8c 3/2]: Color magnetic int. is attractive!

⇒ Couplings to (qqc) baryon-(qc) meson, e.g. DΣc,are allowed!�� ��Compact state ⇔ Hadronic Molecule

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 6

Page 13: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Model setup in this study

Hadronic molecule (MB) + Compact state (5q)

⇒ MB coupled to 5q (Feshbach Projection)

Interaction of hadrons (M and B)

+

Long range int. Short range int.

▷ Long range interaction: One pion exchange potential (OPEP)

▷ Short range interaction: 5q potential

(* Other int. (double counting...) → Future work)�� ��MB bound states: Role of the 5q potential

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 7

Page 14: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Model setup in this study

Hadronic molecule (MB) + Compact state (5q)⇒ MB coupled to 5q (Feshbach Projection)

Interaction of hadrons (M and B)

+

Long range int. Short range int.

▷ Long range interaction: One pion exchange potential (OPEP)

▷ Short range interaction: 5q potential

(* Other int. (double counting...) → Future work)�� ��MB bound states: Role of the 5q potential

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 7

Page 15: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Model setup in this study

Hadronic molecule (MB) + Compact state (5q)⇒ MB coupled to 5q (Feshbach Projection)

Interaction of hadrons (M and B)

+

Long range int. Short range int.

▷ Long range interaction: One pion exchange potential (OPEP)

▷ Short range interaction: 5q potential

(* Other int. (double counting...) → Future work)�� ��MB bound states: Role of the 5q potential

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 7

Page 16: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Model setup in this study

Hadronic molecule (MB) + Compact state (5q)⇒ MB coupled to 5q (Feshbach Projection)

Interaction of hadrons (M and B)

+

Long range int. Short range int.

▷ Long range interaction: One pion exchange potential (OPEP)

▷ Short range interaction: 5q potential (→Local Gaussian)(* Other int. (double counting...) → Future work)�� ��MB bound states: Role of the 5q potential

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 7

Page 17: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

1. Long range force: One pion exchange potential

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 8

Page 18: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Heavy quark symmetry and OPEPHQS and OPEP

�� ��Heavy Quark Spin Symmetry

Charm (c), Bottom (b), Top (t)

1. Coupled channels of MB

2. Tensor force (OPEP)

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 9

Page 19: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Heavy quark symmetry and OPEPHQS and OPEP

�� ��Heavy Quark Spin SymmetryCharm (c), Bottom (b), Top (t)

1. Coupled channels of MB

2. Tensor force (OPEP)

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 9

Page 20: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Heavy quark symmetry and OPEPHQS and OPEP

�� ��Heavy Quark Spin SymmetryCharm (c), Bottom (b), Top (t)

1. Coupled channels of MB

2. Tensor force (OPEP)

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 9

Page 21: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Heavy Quark Spin Symmetry and Mass degeneracyHQS and OPEP

Heavy Quark Spin Symmetry (HQS) N.Isgur,M.B.Wise,PLB232(1989)113

Suppression of Spin-spin force in mQ →∞.

⇒ Mass degeneracy of hadrons with the different J

e.g. Qq meson

(spin-1) (spin-0)quark spin

(1/2)

Heavy quark Light quark

⇒ Mass degeneracy of spin-0 and spin-1 states!

Charm sector: D(0−)− D∗(1−), Σc(1/2+)− Σ∗

c(3/2+)

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 10

Page 22: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Mass degeneracy → D − D∗, Σc − Σ∗c mixing!

HQS and OPEP

D − D∗ and Σc − Σ∗c mixing in the DYc system

Coupled channels of DΣc, DΣ∗c , D

∗Σc and D∗Σ∗c!

In addition, Λc (cqq): D(∗)Λc channel!?

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 11

Page 23: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Mass degeneracy → D − D∗, Σc − Σ∗c mixing!

HQS and OPEP

D − D∗ and Σc − Σ∗c mixing in the DYc system

Coupled channels of DΣc, DΣ∗c , D

∗Σc and D∗Σ∗c!

In addition, Λc (cqq): D(∗)Λc channel!?

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 11

Page 24: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Mass degeneracy → D − D∗, Σc − Σ∗c mixing!

HQS and OPEP

D − D∗ and Σc − Σ∗c mixing in the DYc system

▷ 6 meson-baryon components

(1) DΛc, (2) D∗Λc, (3) DΣc, (4) DΣ∗c,

(5) D∗Σc, (6) D∗Σ∗c

→ Coupled by OPEP!

⇒ These components are mixed by...Tensor force of OPEP!21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 11

Page 25: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Mass degeneracy → D − D∗, Σc − Σ∗c mixing!

HQS and OPEP

D − D∗ and Σc − Σ∗c mixing in the DYc system

▷ 6 meson-baryon components

(1) DΛc, (2) D∗Λc, (3) DΣc, (4) DΣ∗c,

(5) D∗Σc, (6) D∗Σ∗c → Coupled by OPEP!

⇒ These components are mixed by...Tensor force of OPEP!21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 11

Page 26: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Heavy hadron-π couplingHQS and OPEP

Effective Lagrangians: Heavy hadron and πR. Casalbuoni et al., Phys.Rept.281 (1997)145, T. M. Yan, et al., PRD46(1992)1148

Y.-R.Liu and M.Oka, PRD85(2012)014015

▷ Heavy meson: D(∗)D(∗)π (DDπ: Parity violation)

LπHH = − gπ2fπ

Tr[Hγµγ5∂

µπH], H = 1+v/

2

[D∗µγ

µ − Dγ5]

▷ Heavy baryon: Σ(∗)c Σ(∗)

c π, ΛcΣ(∗)c π (ΛcΛcπ: Isospin breaking)

LπBB = − 34fπ

g1(ivκ)εµνλκtr

[Sµ∂ν πSλ

]− g4

2fπtr[Sµ∂µπΛc

]+H.c.,

Sµ = Σ∗cµ − 1√

3(γµ + vµ) γ5Σc, gπ = 0.59, g1 = 1.00, g4 = 1.06

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 12

Page 27: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Heavy hadron-π couplingHQS and OPEP

Effective Lagrangians: Heavy hadron and πR. Casalbuoni et al., Phys.Rept.281 (1997)145, T. M. Yan, et al., PRD46(1992)1148

Y.-R.Liu and M.Oka, PRD85(2012)014015

▷ Heavy meson: D(∗)D(∗)π (DDπ: Parity violation)

LπHH = − gπ2fπ

Tr[Hγµγ5∂

µπH], H = 1+v/

2

[D∗

µγµ −Dγ5

]

▷ Heavy baryon: Σ(∗)c Σ(∗)

c π, ΛcΣ(∗)c π (ΛcΛcπ: Isospin breaking)

LπBB = − 34fπ

g1(ivκ)εµνλκtr

[Sµ∂ν πSλ

]− g4

2fπtr[Sµ∂µπΛc

]+H.c.,

Sµ = Σ∗cµ − 1√

3(γµ + vµ) γ5Σc, gπ = 0.59, g1 = 1.00, g4 = 1.06

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 12

Page 28: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Heavy hadron-π couplingHQS and OPEP

Effective Lagrangians: Heavy hadron and πR. Casalbuoni et al., Phys.Rept.281 (1997)145, T. M. Yan, et al., PRD46(1992)1148

Y.-R.Liu and M.Oka, PRD85(2012)014015

▷ Heavy meson: D(∗)D(∗)π (DDπ: Parity violation)

LπHH = − gπ2fπ

Tr[Hγµγ5∂

µπH], H = 1+v/

2

[D∗

µγµ −Dγ5

]▷ Heavy baryon: Σ(∗)

c Σ(∗)c π, ΛcΣ

(∗)c π (ΛcΛcπ: Isospin breaking)

LπBB = − 34fπ

g1(ivκ)εµνλκtr

[Sµ∂ν πSλ

]− g4

2fπtr[Sµ∂µπΛc

]+H.c.,

Sµ = Σ∗cµ − 1√

3(γµ + vµ) γ5Σc, gπ = 0.59, g1 = 1.00, g4 = 1.06

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 12

Page 29: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

D(∗)Yc Interaction: Long range forceHQS and OPEP

One pion exchange potential

with Tensor force!

π

D(∗)

D(∗)

Yc

Yc

LπD(∗)D(∗) LπYcYc

D(∗): D or D∗

Yc : Λc, Σc or Σ∗c

V πD(∗)Yc−D(∗)Yc

= G[S1 · S2C (r) + SS1S2T (r)

](Contact term is removed)

Form factor with Cutoff Λ (determined by the hadron size)

F (q2) =Λ2 −m2

π

Λ2 − q2, ΛD ∼ 1130 MeV,ΛYc ∼ 840 MeV

Y.Y, A. Giachino, A. Hosaka, E. Santopinto, S. Takeuchi, M. Takizawa, arXiv:1709.00819 [hep-ph]

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 13

Page 30: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

D(∗)Yc Interaction: Long range forceHQS and OPEP

One pion exchange potential with Tensor force!

π

D(∗)

D(∗)

Yc

Yc

LπD(∗)D(∗) LπYcYc

D(∗): D or D∗

Yc : Λc, Σc or Σ∗c

V πD(∗)Yc−D(∗)Yc

= G[S1 · S2C (r) + SS1S2T(r)

](Contact term is removed)

Form factor with Cutoff Λ (determined by the hadron size)

F (q2) =Λ2 −m2

π

Λ2 − q2, ΛD ∼ 1130 MeV,ΛYc ∼ 840 MeV

Y.Y, A. Giachino, A. Hosaka, E. Santopinto, S. Takeuchi, M. Takizawa, arXiv:1709.00819 [hep-ph]

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 13

Page 31: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

2. Short range force: 5-quark potential

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 14

Page 32: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Model: 5-quark potential

5-quark potential ⇒ s-channel diagram...But

Massive M5q (few hundred MeV above D∗Σ∗c) → Attractive

i j

⇒ −f SiSje−αr2

Channel i , j = D(∗)Λc, D(∗)Σ

(∗)c with S−wave

Free Parameters

Strength f and Gaussian para. α (→ may be fixed in the future)(f vs E will be shown latter. α = 1 fm−2 is fixed.)

Relative strength Si

Spectroscopic factors ⇒ determined by the spin structure of 5q

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 15

Page 33: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Model: 5-quark potential

5-quark potential ⇒ Local Gaussian potential is employed.

Massive M5q (few hundred MeV above D∗Σ∗c) → Attractive

i j ⇒ −f SiSje−αr2

Channel i , j = D(∗)Λc, D(∗)Σ

(∗)c with S−wave

Free Parameters

Strength f and Gaussian para. α (→ may be fixed in the future)(f vs E will be shown latter. α = 1 fm−2 is fixed.)

Relative strength Si

Spectroscopic factors ⇒ determined by the spin structure of 5q

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 15

Page 34: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Model: 5-quark potential

5-quark potential ⇒ Local Gaussian potential is employed.

Massive M5q (few hundred MeV above D∗Σ∗c) → Attractive

i j ⇒ −f SiSje−αr2

Channel i , j = D(∗)Λc, D(∗)Σ

(∗)c with S−wave

Free Parameters

Strength f and Gaussian para. α (→ may be fixed in the future)(f vs E will be shown latter. α = 1 fm−2 is fixed.)

Relative strength Si

Spectroscopic factors ⇒ determined by the spin structure of 5q

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 15

Page 35: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Model: 5-quark potential

5-quark potential ⇒ Local Gaussian potential is employed.

Massive M5q (few hundred MeV above D∗Σ∗c) → Attractive

i j ⇒ −f SiSje−αr2

Channel i , j = D(∗)Λc, D(∗)Σ

(∗)c with S−wave

Free Parameters

Strength f and Gaussian para. α (→ may be fixed in the future)(f vs E will be shown latter. α = 1 fm−2 is fixed.)

Relative strength Si

Spectroscopic factors ⇒ determined by the spin structure of 5q

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 15

Page 36: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Spectroscopic factors Si5q potential

S-factor is determined by the spin structure of the 5q state

Several 5q states with S3q and Scc configuratione.g. for JP = 1/2−, (i), (ii), (iii)

JP = 1/2−

(i) (ii) (iii)

Scc 0 1 1S3q 1/2 1/2 3/2

Overlap of the spin wavefunctions of 5-quark state and DYc

Si =⟨(DYc)i

∣∣ 5q⟩⇒ Relative strength of couplings to DYc channel

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 16

Page 37: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Spectroscopic factors Si5q potential

S-factor is determined by the spin structure of the 5q state

Several 5q states with S3q and Scc configuratione.g. for JP = 1/2−, (i), (ii), (iii)

JP = 1/2−

(i) (ii) (iii)

Scc 0 1 1S3q 1/2 1/2 3/2

Overlap of the spin wavefunctions of 5-quark state and DYc

Si =⟨(DYc)i

∣∣ 5q⟩⇒ Relative strength of couplings to DYc channel

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 16

Page 38: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Spectroscopic factor Si5q potential

5q−configuration: 8c qqq and 8c cc with S−wave

V 5qij (r) = −f SiSje

−αr2

Table: Spectroscopic factors Si for each meson-baryon channel.

J Scc S3q DΛc D∗Λc DΣc DΣ∗c D∗Σc D∗Σ∗

c

1/2 (i) 0 1/2 0.4 0.6 −0.4 — 0.2 −0.6(ii) 1 1/2 0.6 −0.4 0.2 — −0.6 −0.3(iii) 1 3/2 0.0 0.0 −0.8 — −0.5 0.3

3/2 (i) 0 3/2 — 0.0 — −0.5 0.6 −0.7(ii) 1 1/2 — 0.7 — 0.4 −0.2 −0.5(iii) 1 3/2 — 0.0 — −0.7 −0.8 −0.2

5/2 (i) 1 3/2 — — — — — −1.0

Large Si will play an important role.

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 17

Page 39: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Spectroscopic factor Si5q potential

5q−configuration: 8c qqq and 8c cc with S−wave

V 5qij (r) = −f SiSje

−αr2

Table: Spectroscopic factors Si for each meson-baryon channel.

J Scc S3q DΛc D∗Λc DΣc DΣ∗c D∗Σc D∗Σ∗

c

1/2 (i) 0 1/2 0.4 0.6 −0.4 — 0.2 −0.6(ii) 1 1/2 0.6 −0.4 0.2 — −0.6 −0.3(iii) 1 3/2 0.0 0.0 −0.8 — −0.5 0.3

3/2 (i) 0 3/2 — 0.0 — −0.5 0.6 −0.7(ii) 1 1/2 — 0.7 — 0.4 −0.2 −0.5(iii) 1 3/2 — 0.0 — −0.7 −0.8 −0.2

5/2 (i) 1 3/2 — — — — — −1.0

Large Si will play an important role.

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 17

Page 40: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Numerical Results for Hidden-charm sector

+

Long range int. Short range int.(Gaussian)

Bound state and ResonanceCoupled-channel Schrodinger equation for DΛc, D

∗Λc, DΣc,DΣ∗

c , D∗Σc, D

∗Σ∗c (6 MB components).

For JP = 1/2−, 3/2−, 5/2− (Negative parity)

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 18

Page 41: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Results (f 5q vs E) of charm DYc for JP = 1/2−

OPEP + V 5q (i), (ii), (iii)

(i) (Scc ,S3q) = (0, 12)

(ii) (Scc ,S3q) = (1, 12)

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

(iii) (Scc ,S3q) = (1, 32)

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

No state in small f 5q

→ OPEP is not enough toproduce states

⇒ States appear near thethreshold

⇔ Large S-factor

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 19

Page 42: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Results (f 5q vs E) of charm DYc for JP = 1/2−

OPEP + V 5q (i), (ii), (iii)

(i) (Scc ,S3q) = (0, 12) (ii) (Scc ,S3q) = (1, 12)

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

(iii) (Scc ,S3q) = (1, 32)

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

No state in small f 5q

→ OPEP is not enough toproduce states

⇒ States appear near thethreshold

⇔ Large S-factor

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 19

Page 43: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Results (f 5q vs E) of charm DYc for JP = 1/2−

OPEP + V 5q (i), (ii), (iii)

(i) (Scc ,S3q) = (0, 12) (ii) (Scc ,S3q) = (1, 12)

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

(iii) (Scc ,S3q) = (1, 32)

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

No state in small f 5q

→ OPEP is not enough toproduce states

⇒ States appear near thethreshold⇔ Large S-factor

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 19

Page 44: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Results (f 5q vs E) of charm DYc for JP = 3/2−

OPEP + V 5q (i), (ii), (iii)

(i) (Scc ,S3q) = (0, 32) (ii) (Scc ,S3q) = (1, 12)

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

(iii) (Scc ,S3q) = (1, 32)

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

No state in small f 5q

⇒ States appear near thethresholds

⇔ Large S-factor

Pc(4380)? (below DΣ∗c)

Pc(4450)? (below D∗Σc)

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 20

Page 45: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Results (f 5q vs E) of charm DYc for JP = 3/2−

OPEP + V 5q (i), (ii), (iii)

(i) (Scc ,S3q) = (0, 32) (ii) (Scc ,S3q) = (1, 12)

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

(iii) (Scc ,S3q) = (1, 32)

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

No state in small f 5q

⇒ States appear near thethresholds⇔ Large S-factor

Pc(4380)? (below DΣ∗c)

Pc(4450)? (below D∗Σc)

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 20

Page 46: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Results (f 5q vs E) of charm DYc for JP = 3/2−

OPEP + V 5q (i), (ii), (iii)

(i) (Scc ,S3q) = (0, 32) (ii) (Scc ,S3q) = (1, 12)

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

(iii) (Scc ,S3q) = (1, 32)

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

No state in small f 5q

⇒ States appear near thethresholds⇔ Large S-factor

Pc(4380)? (below DΣ∗c)

Pc(4450)? (below D∗Σc)

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 20

Page 47: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Results (f 5q vs E) of charm DYc for JP = 5/2−

Charm DYc for JP = 5/2−, One 5q state

(Scc ,S3q) = (1, 32)

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

Summary of the hidden-charm sector

OPEP is not strong enough to produce a state.

The importance of the 5q potential⇒ States below the MB thresholds ← large S-factor

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 21

Page 48: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Results (f 5q vs E) of charm DYc for JP = 5/2−

Charm DYc for JP = 5/2−, One 5q state

(Scc ,S3q) = (1, 32)

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

Summary of the hidden-charm sector

OPEP is not strong enough to produce a state.

The importance of the 5q potential⇒ States below the MB thresholds ← large S-factor

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 21

Page 49: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Volume integrals of the potentials

Bound and Resonant states appears for f 5q ≳ 25⇔ Large? Small?

▷ Volume integral V (q = 0) =∫V (r)dr3

Comparison with the NN interaction (Bonn potential)R. Machleidt, K. Holinde and C. Elster, Phys. Rept. 149, 1 (1987).∣∣∣V 5q

f=25(0)∣∣∣ = 1.1× 10−4 MeV ∼ 0.03 |Cσ

NN(0)|

(CσNN : Central force of σ exchange)∣∣∣V 5q

f=25(0)∣∣∣ is much smaller than |Cσ

NN(0)|.

However, the bound and resonant states are obtained!

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 22

Page 50: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Volume integrals of the potentials

Bound and Resonant states appears for f 5q ≳ 25⇔ Large? Small?

▷ Volume integral V (q = 0) =∫V (r)dr3

Comparison with the NN interaction (Bonn potential)R. Machleidt, K. Holinde and C. Elster, Phys. Rept. 149, 1 (1987).∣∣∣V 5q

f=25(0)∣∣∣ = 1.1× 10−4 MeV ∼ 0.03 |Cσ

NN(0)|

(CσNN : Central force of σ exchange)∣∣∣V 5q

f=25(0)∣∣∣ is much smaller than |Cσ

NN(0)|.

However, the bound and resonant states are obtained!

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 22

Page 51: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Results (f 5q vs E) of bottom BYb for JP = 1/2−

OPEP + V 5q (i), (ii), (iii)

(i) (Sbb,S3q) = (0, 12) (ii) (Sbb,S3q) = (1, 12)

10.810.8510.9

10.9511

11.0511.1

11.1511.2

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

10.810.8510.9

10.9511

11.0511.1

11.1511.2

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

(iii) (Sbb,S3q) = (1, 32)

10.810.8510.9

10.9511

11.0511.1

11.1511.2

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

OPEP produces the states!

Importance of OPEPB − B∗, Σb − Σ∗

b mixing

Many states close to thethresholds

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 23

Page 52: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Summary�

�+

Introducing 6 meson-baryon components:Multiplet of the HQS, DΣc, DΣ∗

c , D∗Σc, D

∗Σ∗c + DΛc , D

∗Λc

Interaction: OPEP as a long range int., andthe compact 5-quark potential as a short range int.

By solving the coupled-channel Schrodinger equation for DYc ,the bound and resonant states are studied.

For the hidden-charm, the OPEP is not enough to producethe states. Importance of the 5q potential.

For the bottom sector, the OPEP is enhanced because ofthe mixing effect. OPEP + 5q potential produces manystates.

Thank you for your kind attention.21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 24

Page 53: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Summary�

�+

Future Works▷ Treatment of the 5q potential

1. Determining the strength f 5q (Quark model?)

2. Energy dependent 5q potential

3. Including the J/ψN channel

▷ Other short range interaction (double counting)

Y. Yamaguchi, A. Giachino, A. Hosaka, E. Santopinto, S. Takeuchi, M. Takizawa,

arXiv:1709.00819 [hep-ph]

Thank you for your kind attention.

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 25

Page 54: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Back up

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 26

Page 55: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Form factor

To take into account the hadron structure, the form factor isintroduced.

π

D(∗)

D(∗)

Yc

Yc

LπD(∗)D(∗) LπYcYc

D(∗): D or D∗

Yc : Λc, Σc or Σ∗c

Form factor with the cutoffs ΛD , ΛYc

→ Fixed by the hadron size ratio, ΛD = 1.35ΛN , ΛYc ∼ ΛN

F (Λ, q ) =Λ2 −m2

π

Λ2 + |q |2,

r

rN=

ΛN

Λ,ΛN = 837 MeV.

S.Yasui,K.Sudoh,PRD80 (2009) 034008, Y.Yamaguchi,et al. PRD84(2011)014032

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 27

Page 56: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Hidden-charm: V 5q = V 5q(i) + V 5q

(ii) + V 5q(iii)

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

Hidden-bottom: V 5q = V 5q(i) + V 5q

(ii) + V 5q(iii)

10.810.8510.9

10.9511

11.0511.1

11.1511.2

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

10.810.8510.9

10.9511

11.0511.1

11.1511.2

0 25 50 75 100

[GeV

]

f/f0

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 28

Page 57: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Model: Parameters f and α

V 5qij (r) = −f0SiSje−αr2

⇒ Parameters: α= 1 fm−2 (Assumption),

f0= V D∗Σcπ (r = 0) ∼ 6 MeV. (reference value)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0 1 2 3

[MeV

]

r [fm]

V5q

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 29

Page 58: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Model: Parameters f and α

V 5qij (r) = −f0SiSje−αr2

⇒ Parameters: α= 1 fm−2 (Assumption),

f0= V D∗Σcπ (r = 0) ∼ 6 MeV. (reference value)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0 1 2 3

[MeV

]

r [fm]

V5q

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 29

Page 59: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Model: Parameters f and α

V 5qij (r) = −f0SiSje−αr2

⇒ Parameters: α= 1 fm−2 (Assumption),

f0= V D∗Σcπ (r = 0) ∼ 6 MeV. (reference value)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0 1 2 3

[MeV

]

r [fm]

V5q

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 29

Page 60: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Model: Parameters f and α

V 5qij (r) = −f0SiSje−αr2

⇒ Parameters: α= 1 fm−2 (Assumption),

f0= V D∗Σcπ (r = 0) ∼ 6 MeV. (reference value)

Volume integral V(q = 0) =∫dr3V (r)

∣∣V5q(0)∣∣ ∼ 1

4

∣∣∣VD∗Σcπ (0)

∣∣∣

∼ 1

15

∣∣∣VNNπ (0)∣∣∣ ∼ 1

880

∣∣∣VNNσ (0)∣∣∣

(VNNπ : Central force of OPEP in NN, VNNσ (0): σ exchange in NN)

⇒ Small contribution of V 5q ...We will see the f dependence of the energy spectrum(f0: reference value )

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 29

Page 61: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Model: Parameters f and α

V 5qij (r) = −f0SiSje−αr2

⇒ Parameters: α= 1 fm−2 (Assumption),

f0= V D∗Σcπ (r = 0) ∼ 6 MeV. (reference value)

Volume integral V(q = 0) =∫dr3V (r)

∣∣V5q(0)∣∣ ∼ 1

4

∣∣∣VD∗Σcπ (0)

∣∣∣ ∼ 1

15

∣∣∣VNNπ (0)∣∣∣ ∼ 1

880

∣∣∣VNNσ (0)∣∣∣

(VNNπ : Central force of OPEP in NN, VNNσ (0): σ exchange in NN)

⇒ Small contribution of V 5q ...We will see the f dependence of the energy spectrum(f0: reference value )

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 29

Page 62: ハドロン分子におけるコンパクトな 5クォーク 状態が作る近 ......ハドロン分子におけるコンパクトな5クォーク 状態が作る近距離引力.

Model: Parameters f and α

V 5qij (r) = −f0SiSje−αr2

⇒ Parameters: α= 1 fm−2 (Assumption),

f0= V D∗Σcπ (r = 0) ∼ 6 MeV. (reference value)

Volume integral V(q = 0) =∫dr3V (r)

∣∣V5q(0)∣∣ ∼ 1

4

∣∣∣VD∗Σcπ (0)

∣∣∣ ∼ 1

15

∣∣∣VNNπ (0)∣∣∣ ∼ 1

880

∣∣∣VNNσ (0)∣∣∣

(VNNπ : Central force of OPEP in NN, VNNσ (0): σ exchange in NN)

⇒ Small contribution of V 5q ...We will see the f dependence of the energy spectrum(f0: reference value )

21 Nov. 2017 山口康宏 (理研) KEK 理論センター研究会 29