四夸克系統(tǒng)中的湮滅相互作用研究

譚志云，楊友昌*，潘正坤，萬 猛,田維釗

（遵義師范學院物理與電子科學學院，貴州遵義563006）

四夸克系統(tǒng)中的湮滅相互作用研究

譚志云，楊友昌*，潘正坤，萬 猛,田維釗

（遵義師范學院物理與電子科學學院，貴州遵義563006）

考慮四夸克系統(tǒng)內部正反同味夸克對湮滅為零質量的虛膠子和帶有質量的有效膠子，推導出了湮滅相互作用勢；在不修改夸克模型參數的情況下，采用精確四體算法——多高斯展開算法，計算了S-波的能譜。作者不僅合理地解釋了新強子態(tài)X (3872)，而且還發(fā)現存在和兩個弱束縛態(tài)，并為北京BES、歐州LHCb等國際實驗合作組探測這些新粒子提出了建議。

XYZ新強子態(tài)；BCN夸克模型；湮滅相互作用；多高斯展開算法

近13年來，北京BES、歐州LHCb、日本Belle、美國BaBar等國際實驗合作組在實驗中發(fā)現了X (3872)、Y(4260)、X(3915)等17個不帶電荷的新強子態(tài)[1,2]，它們的物理性質與夸克-反夸克組成介子模型的理論預言結果不相吻合，人們通常把這些介子稱為“XYZ”新強子態(tài)[1-2]。另外，實驗中還發(fā)現了等10個帶有單位電荷的新強子態(tài)，與粲偶素的電中性相矛盾。因此，一旦實驗肯定了這些帶電粒子的存在，則它們內部必定是包含u、d夸克在內的四夸克結構。根據量子色動力學原理（QCD），四夸克態(tài)、五夸克態(tài)等多夸克體系都可以形成色單態(tài)強子。因此，為解釋這些新強子態(tài)的強子譜和衰變性質，理論物理工作者提出了雙夸克-反雙夸克組態(tài)、兩個普通介子組成的分子態(tài)、兩夸克與四夸克的混合等不同的內部結構。

通常情況下，夸克模型包含基于QCD理論的單膠子交換引起的色磁相互作用勢、庫侖勢和由于強子色單態(tài)需求而引入的夸克禁閉的距離線性或平方禁閉勢。20世紀末，物理學工作者試圖尋找一個統(tǒng)一的夸克模型來解釋介子譜和重子譜。Bhaduri、Cohler和Nogami三位學者于1981年提出了一個基于QCD理論的組份夸克模型（BCN夸克模型），該模型在研究介子譜、重子譜方面取得了成功，很好地解釋了輕、重介子譜和重子譜。因此，該模型被很快推廣應用到四夸克、五夸克等多夸克體系中。由于該模型是為了解釋夸克-反克夸組成的介子譜、3個夸克組成的重子譜，因此，哈密頓量中僅包含色磁相互作用勢、庫侖勢和線性禁閉勢。然而，在四夸克、五夸克體系內部還存在同味夸克-反夸克對湮滅為單膠子的相互作用勢，至今很少有人研究該相互作用對多夸克體系能譜的影響。

根據QCD基本理論，本文推導出了湮滅相互作用勢，計算和討論了在夸克-反夸克湮滅為零質量的虛膠子和帶有質量的有效膠子情況下，波的能譜。研究結果表明，考慮湮滅相互作用后，不僅能解釋新強子態(tài)(3872)的內部結構，而且還發(fā)現存在和兩個弱束縛態(tài)。

1 BCN組份夸克模型和s道湮滅相互作用

1.1 BCN組份夸克模型

Bhaduri、Cohler和Nogami三位物理學工作者試圖通過統(tǒng)一的夸克模型來解釋介子譜和重子譜，于1981年提出了BCN組份夸克模型。該夸克模型包含單膠子交換引起的色磁相互作用勢、庫侖勢和線性禁閉勢，其形式如下：

其中，

膠子含有顏色八重態(tài)，受自然界色單態(tài)強子的限制，夸克-反夸克組成的普通介子中不存在湮滅相互作用。然而，在四夸克系統(tǒng)內部，夸克-反夸克可以組成顏色八重態(tài)，與膠子顏色八重態(tài)耦合形成顏色單態(tài)。因此，四夸克系統(tǒng)內部允許湮滅相互作用存在，費曼圖如圖1所示。

圖1 夸克-反夸克湮滅為膠子的費曼圖

根據費曼規(guī)則，我們可以在動量空間寫出圖1所示的T矩陣，即：

取靜態(tài)近似，虛膠子質量為零，則坐標空間的湮滅相互作用勢為：

Mandula在《Thegluonpropagator》中指出，真正的物理過程應該是夸克-反夸克湮滅為一個質量mg的有效膠子[3]，即，應對（3）式中的膠子傳播子做如下變換：

則非相對論湮滅相互作用（5）式變?yōu)椋?/p>

2 四夸克態(tài)波函數

本文僅考慮 和 組成的分子態(tài)結構，其顏色波函數為：

式中的下標表示自旋角動量。

定義如圖2所示的相對坐標為：

圖2 四夸克體系的Jacobi坐標

3 數值計算與討論

取BCN夸克模型中的相互作用勢（1）、（2）式和相應的模型參數，采用精確的多高斯計算方法，首先計算兩夸克態(tài)介子的能譜（見表1）。表1中“Exp.”表示實驗數據[6]，“BCN”表示用BCN夸克模型計算出的理論結果。比較理論計算結果與實驗值，發(fā)現BCN夸克模型確實能很好地解釋介子譜。

取BCN夸克模型和同樣的參數，分別考慮湮滅相互作用（5）式和（7）式，將自旋、味波函數（11）、（12）、（13）、（14）式，顏色波函數（10）式和空間波函數（15）、（16）、（17）式代入總波函數（9）式，并將總波函數代入薛定諤方程，采用Rayleigh-Ritz變分方法求解

表1 夸克-反夸克構成介子的能譜

表2 能譜和相應的束縛能

當不考慮湮滅相互作用時，得到表2中第6、7列計算結果，所研究的體系中不存在束縛態(tài)結構；當考慮湮滅相互作用，且取有效膠子質量時，得到第2列中的能譜。其結果表明，湮滅相互作用勢為排斥勢，且沒有束縛態(tài)存在。該結論與其它文獻的研究結論相同；Mandula在《Thegluonpropagator》中指出，真正的物理過程應該是夸克-反夸克湮滅為一個有質量的有效膠子，且格點QCD研究結果表明，有效膠子質量范圍為：。當我們取 時，發(fā)現的能譜比相應的閾值低2.2MeV,與新強子態(tài)X(3872)的實驗結果相吻合，且與其它理論研究結論一致，可以合理地把新強子態(tài)X(3872)解釋為 分子態(tài)。另外，我們的研究結果表明，還存在兩個弱束縛態(tài)。根據組態(tài)量子數和能譜分析，我們認為可以在衰變道中進行實驗探測。

4 結論

[1]楊友昌,譚志云,萬猛.XYZ新強子態(tài)的研究進展[J].西南大學學報(自然科學版),2013,34(11):33-36.

[2]Chen Hua Xing,Chenc Wei,Liu Xiang,et al.The hidden-charm pentaquark and tetraquark states[J].Physics Reports,2016, (639):1-121.

[3]Mandula J E.The gluon propagator[J].Physics Reports,1999, (315):273-284.

[4]Giocosa F,Gutsche T,Faessler A.Covariant constituent quarkgluon model for the glueball-quarkonia content of scalar-isoscalar mesons[J].Phys Rev C,2005,71(2):025202,1-13.

[5]潘正坤,高欽翔,楊友昌,等.四夸克系統(tǒng)的分子態(tài)結構研究[J].西南大學學報(自然科學版),2010，32(5):42-45.

[5]KAOlive,KAgashe,CAmsler,etal.ReviewofParticlePhysics[J].Chin Phys C,2014,(38):090001,34-76.

（責任編輯：朱 彬）

A Study of the Annihilation Interaction in Four-quark System

TAN Zhi-Yun;YANG You-Chang;PAN Zheng-Kun;WAN Meng;TIAN Wei-Zhao
(School of Physics and Electrical Science,Zunyi Normal College,Zunyi 563006,China)

We deduced the annihilation interaction by taking into account massive effective one-gluon exchange or massless one-gluon exchange between quark-antiquark with same flavor.Employing Gaussian expansion method,the spectra of s-wave system were calculated within a constituent quark model with the same parameters used in other works.The newly hadron state X(3872)is perfectly explained in this work.We also find two weak bound statesand proposed a suggestion for exploring these states by BES collaboration and LHCb collaboration and etc.

the XYZ new hadron states;BCN Quark Model;annihilation interaction;gaussian expansion method

O572.33

A

1009-3583（2016）-0114-04

2016-09-15

國家自然科學基金資助項目（11265017，11675080）；貴州省優(yōu)秀青年科技人才培養(yǎng)對象專項資金（黔科合人字［2013］28號，黔科合J字LKZS[2014]31號，黔科合J字LKZS[2012]05號）

譚志云，女，湖南邵陽人，物理與電子科學學院副教授，碩士，主要從事理論物理和課程教學論研究。

通迅作者：youcyang@163.com