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奇特强子态与强子结构 邹冰松 中国科学院理论物理研究所 中国科学院大学 内容提要 一. 原子、原子核、强子 二. 强子结构：夸克模型与QCD 三. 探索强子内部结构的基本途径 四. 质子中的多夸克成分 五. 奇特强子态 六. 总结与展望 一. 原子、原子核、强子 V(r) = 核力 – p 介子 波尔原子模型 电子 原子核, 质子 p 介子 中子 强子 …… 二. 强子结构：夸克模型与QCD 夸克模型 介子 QCD 重子 q = u, d, s, c, b, t QCD 两大特性： 渐近自由 + 夸克禁闭 夸克唯象势模型： V(r) = kr – a/r 介子的 SU(3)qq-夸克模型 qq - 介子： 1S 0  p0 = Jpc P=(-1)L+1 3S K+(us) p0 ’ K-(su) LJ 0- K0(ds) p-(u d) 2S+1 p+(ud) I3 K0(sd) uu - dd 2 1 K*0 K*+ 0  -  K*- 1- + I3 K*0 重子的 SU(3) 3q-夸克模型 自旋-宇称 1/2 + s n(udd) -(dds) -(dss) p(uud) 0 (uds) + (uus) I3 0 0(uss) 空间轨道基态 相当成功！ 3/2+ △+ △++ △- △0 (uuu) (ddd) (udd) (uud) 0 **+ (uus) (dds) (uds) *(dss) *0 (uss) - (sss) 质量公式预言 m- 1670 MeV 实验 m- 1672.45 0.29 MeV 强子衰变对夸克禁闭的作用？ 夸克模型： QCD ： 重子 = 3 夸克 介子 = 夸克-反夸克 新的自由度 --- 具有自相互作用的胶子 胶球、夸克-胶子混杂态、多夸克态？ -u d- d u 重子是如何构成的？ A. 3夸克态 B. 夸克-胶子混杂态 C. 偶夸克-夸克态 D-E. 多夸克态 预言的核子激发态N*数目：D-E>B>A>C 实验已观测到的N*数目 ~ | uud > + e1 | n ( udd ) p+ (du ) > + e2 | D++ ( uuu ) p- (ud ) > + e’ |  (uds) K+ (su ) > … 夸克对图像 : Riska, Zou, Zhu, … | p > ~ | uud > + e1 | [ud][ud]d > + e’ | [ud][us]s > + … d du u d u d S d S u S S ud u u d ud 质子含有~30%的五夸克成分，那么重子激发态呢？ 传统夸克模型： 重子激发态 = 3夸克激发态 何种激发为主？ 注入能量 我们新的观点： 最低的重子激发SU(3)八重态 都已经以5夸克激发为主 要真正了解重子谱，必须研究五夸克态 五. 奇特强子态 Fate of the first pentaquark predicted and observed: 1/21959: KN molecule predicted by Dalitz-Tuan, PRL2, 425 1961: (1405) → p observed by Alston et al., PRL6, 698 1964: Quark model (uds) for (1405) 1995: KN dynamically generated -- Kaiser et al., NPA954, 325 2001: 2 pole structure byKN-p -- Oller et al., PLB500, 263 PDG2010: “The clean Λc spectrum has in fact been taken to settle the decades-long discussion about the nature of the Λ(1405) —true 3-quark state or mereKN threshold effect?— unambiguously in favor of the first interpretation.” Fate of the last famous fading pentaquark q+(1540): 1/2+ 1997: Z+ (1530) predicted by Diakonov et al., ZPA359, 305 2003: q+(1540) → K+n claimed by LEPS, PRL91, 012002 2003: s (ud)(ud) for q(1540) by Jaffe&Wilczek, PRL91, 232003 2003: s ud)(ud) for q(1540) by Karliner&Lipkin, PLB575, 249 2004: supported by 10 expts → q(1540) well-established by PDG 2004: not supported by BESII, PRD70, 012004 2005: not supported by many high stats experiments 2006: removed from PDG Note: q+(1540) is not supported by hadronic molecule model & chiral quark model by Huang, Zhang, Yu, Zou, PLB586(2004)69 1/2- baryon nonet with strangeness Zou, EPJA 35 (2008) 325 • Mass pattern : quenched or unquenched ? uds (L=1) 1/2- ~ *(1670) ~ [us][ds]s uud (L=1) 1/2- ~ N*(1535) ~ [ud][us]s uds (L=1) 1/2- ~ *(1405) ~ [ud][su]u uus (L=1) 1/2- ~ *(1390) ~ [us][ud]d Zou et al, NPA835 (2010) 199 ; CLAS, PRC87(2013)035206 • Strange decays of N*(1535) and *(1670) : N*(1535) large couplings gN*N , gN*K ， gN*N’ ，gN*N *(1670) large coupling g* BEPC核子和超子激发态（N*, *, *, *, *）新项目  → BBM  N *, *, *, *,  * 特点和优势： 理想的同位旋、低自旋分离器, 独具特色 国际上其它实验 (ep, gp, pp, Kp) 不具备这些优点 美国橡树岭实验室 T. Barnes教授国际会议综述报告大篇幅评述 “相当令人惊讶，邹等人[21]在BEPC的BES上利用J/y强子衰变研究N*谱。…” nucl-th/0009011 18 美国JLab实验部负责人V.D. Burkert国际会议总结报告评述 arXiv: 1309.5108 , Int. J. Mod. Phys. Conf. Ser. 26 (2014) 1460050 “BESIII是寻找N*态的一个不同渠道… 该反应令人感兴趣的是：它不仅选择出 — 系统而压制了高自旋态的产生， 同位旋1/2态，还由于通过短程cc—湮灭产生pN* 从而极大地简化了分波分析。” 19 国际著名理论物理学家牛津大学 F.Close 教授国际会议总结报告高度肯定 Summary talk at HADRON2003 AIP Conf. Proc. 717 (2004) 919; hep-ph/0311087 “y衰变提供了类时区域研究重子激发态的新颖的视角” 20 N* observed in J/y → K N N*(1535) J/y → p K- J/y → nK 0S  PS, eff. corrected (Arbitrary normalization) M KΛ - M K - M  (GeV/c 2 ) BESII, IJMPA20 (2005) 1985 BESII, PLB659 (2008) 789 我们结合BES等实验数据论证了N*(1535) 以ssuud-五夸克成分为主 E. Klempt, J. Richard, Rev. Mod. Phys. 82 (2010) 1095: “(刘&邹)关于 这些可能隐性的 奇特重子的一个 自洽图像将其质 量模式归因于重 子波函数中的一 个大的五夸克成 分, …” ssuud → ccuud 预言了Pc五夸克态 - 被LHCb实验证实 ⚫ 我们首次预言了3个可衰变到J/y-p的五夸克态 (Pc), 建议通过J/y-p衰变道寻找： Wu, Molina, Oset, Zou, PRL 105 (2010) 232001 Wang, Huang, Zhang, Zou, PRC 84 (2011) 015203 _ _ Wu, Lee, Zou, PRC 85 (2012) 044002 → 3个ccuud- Pc五夸克态：1个Dc + 2个D*c分子态 ⚫ 国际系列会议特邀大会报告: HYP2012 (西班牙), NSTAR2015 (日本), MENU2016 (日本), CHARM2018 (俄国) ⚫ 列入美国JLab-12GeV和德国PANDA实验寻找计划 ⚫ LHCb实验2015-2019年观测到3个与我们预言相符的Pc态 23 LHCb观测到与我们预言相符的3个Pc五夸克态 PRL 122 (2019) 222001 入选美国物理杂志2015年度八大突破之一 各类五夸克态半个多世纪的寻找，终获确证！ 24 Top highlights in strong QCD in last ten years (APS) #1. Discovery of Zc(3900) by BESIII & Belle #2. Discovery of Pc states by LHCb 中德CRC110 PLs played leading role for predictions and explanations W.Chen, H.X.Chen, X.Liu, S.L.Zhu, Phys. Rept. 639 (2016) 1 F.K.Guo, C.Hanhart, U.Meißner, Q.Wang, Q.Zhao, B.S.Zou, Rev. Mod. Phys. 90 (2018) 015004 920 cites 885 cites a Y(4260) D.Y.Chen, X.Liu, PRD84(2011)034032 Q.Wang,C.Hanhart,Q.Zhao PRL111(2013)132003 New Particles relevant thresholds Zc(3900) ducc D*D 3880 MeV Zc(4020) D*D* 4020 MeV Zb(10610) dubb B*B 10605 MeV Zb(10650) B*B* 10650 MeV uudcc Dc 4318 MeV Pc(4440) & Pc(4457) D*c 4459 MeV Pc(4312) Hadron-hadron resonances ? F.K.Guo, Hanhart, Meissner,Q.Wang,Q.Zhao,Zou, Rev.Mod.Phys.90 (2018)015004 Observation of Tcc+ by LHCb Nature Phys. 18 (2022) 7, 751 与D*D 分子态预期一致 N.Li, Z.F.Sun, X.Liu, S.L.Zhu, PRD88(2013)114008 X.K.Dong, F.K.Guo, B.S.Zou, Commun.Theor.Phys.73(2021)125201 32 Explaining the many threshold structures in hadron spectrum with heavy quarks X.K.Dong, F.K.Guo, B.S.Zou, PRL126 (2021) 152001 Prediction of a narrow exotic D*D1 molecule with JPC =0-T.Ji, X.K.Dong, F.K.Guo, B.S.Zou, PRL129 (2022) 102002 e+e-→ y0(4360) → y 34 Hybrid, Glueball or hadronic molecules ? Observation of η1(1855) with exotic JPC=1-+ in J/ψ → γηη′ BESIII Collaboration, PRL 129 (2022) 192002 Interpretation of the η1(1855) as aKK1 (1400)+ c.c. molecule X.K.Dong, Y.H.Lin, B.S.Zou, SCIENCE CHINA PMA 65 (2022) 261011 Two dynamical generated a0 resonances by VV interactions Z.L.Wang, B.S.Zou, EPJC 82 (2022) 509  /  molecules → f0 (1500) / a0 (1450) K*K*(I=0,1) molecules → f0 (1710) / a0 (1710) Observation of a0 (1710) → KS0K+ in Ds+→​ KS0​K+π0 decay BESIII Collaboration, PRL 129 (2022) 182001 六. 总结与展望 ⚫ all kinds of observed exotic states fit in hadronic molecule picture well, many more to be observed ⚫ to understand hadron spectrum, quark model needs to be unquenched, with large hadronic molecule components when close to some thresholds How to proceed ? ⚫ my favorite strategy for hadron spectroscopy: ccuud &ccuds → sss -qqsss → csq -qqcsq → cqq -qqcqq → hyperons → light baryons ccud &csud →cc -qqcc → cs -csqq →cq -cqqq → K mesons → light mesons s→c→b b/ charm & beauty meson b/ charm & beauty baryon 结束语 我们对强子谱和强子结构的了解还很贫乏。 国际上多个大型实验装置在开展这方面的研究。 我国BEPCII及可能的 EicC@HIAF & super-tc &CEPC有独到之处，为我国强子物理发展提 供了良好的机遇。 我们期待着从量变积累到质变的时刻。 谢谢大家！ The strange magnetic moment ms and radii rs from parity violating electron scattering G0,HAPPEX/CEBAF, SAMPLE/MIT-Bates, A4/MAMI HAPPEX/CEBAF, Phys.Rev.Lett. 96 (2006) 022003 G0/CEBAF, Phys.Rev.Lett. 95 (2005) 092001 A4/MAMI, Phys.Rev.Lett. 94 (2005) 152001 SAMPLE/MIT-Bates: Phys.Lett.B583 (2004) 79 Theory vs experiment for ms and rs Our results B.S.Zou, D.O.Riska, Phys. Rev. Lett. 95 (2005) 072001 C.S.An,D.O.Riska,B.S.Zou, Phys. Rev. C73 (2006) 035207