重子谱（翻译）

作者: zywang714 | 来源:发表于2020-02-08 21:40 被阅读0次

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DOI: 10.1103/RevModPhys.82.1095

I 引言

II 重夸克重子

III 轻夸克重子

IV 模型和现象

A. 历史观点

1. $SU(3)$ 对称性

2. $SU(6)$ 对称性

3. 早期的模型

4. 重味

5. 颜色的作用
B. 基态重子模型

1. 势模型

2. 从介子到重子

3. 超精细势

4. 基态重子的改进图像
C. 基态重子现象

1. 丢失态

2. 规律

3. 超精细分裂

4. 同位旋分裂
D. 激发态重子模型
E. 重子衰变
强子衰变是任何强相互作用理论的一个决定性组成。夸克模型对称性预测的很多共振态都没有在数据中发现，这个事实可以找到一个自然的解释，那就是丢失的态与 $N\pi$ 耦合很微弱。实际上，绝大多数模型也是这样预测的。
1. 格点里的强子衰变

2. 强子衰变模型
F. 激发态重子的带结构
G. 奇异重子

1. 五夸克态

2. 动态产生的共振态
一些重子共振态被认为是由于介子-重子相互作用的动力学所产生。 $\Delta(1232)$ 可被看作是 $\pi N$ 共振态。
当一个共振态的质量接近其重要衰变模式的阈值，尤其是衰变为两个 $S$ 波的强子，其分子成分会变大。
a. 罗珀共振态
罗珀共振态 $N_{1/2^{+}}(1440)$ 是具有与基态核子相同自旋宇称的质量最低的核子共振态。
作为基态核子的径向第一激发态，其需要两个谐振子量子，而负宇称态 $N_{1/2^{-}}(1535)$ 只需要一个。这个现象与夸克模型并不相符。
即使包含非谐性，第一径向激发态的质量也应该始终高于第一轨道角动量激发态。
在组分夸克模型中，罗珀共振态 $N_{1/2^{+}}(1440)$ 的质量应该比 $N_{1/2^{-}}(1535)$ 高 $80 MeV$ ，而不是低大约 $100 MeV$ 。
b. $N_{1/2^{-}}(1535)$ 是三夸克态还是 $N\eta-\Sigma K$ 耦合道作用？

c. $\Lambda_{1/2^{-}}(1405)$
$\Lambda_{1/2^{-}}(1405)$ 被认为是一个 $\bar{K} N$ 准束缚态。
这是一个独特的且罕见的例子，因为其手性动力学和夸克模型的预测是不一致的。夸克模型预测 $1/2^{-}$ 共振态 $\Lambda_{1/2^{-}}(1405)$ 的质量在 $1400 MeV$ 。手性幺正模型的深入研究显示 $N\bar{K}-\Sigma\pi$ 耦合道的作用更加复杂。Jido认为 $\Lambda_{1/2^{-}}(1405)$ 可能包含两个共振态：一个主要是 $SU(3)_{f}$ 单态，质量在 $1360 MeV$ ，宽度较大，与 $\pi\Sigma$ 强耦合；另一个主要是 $SU(3)_{f}$ 八重态，质量在 $1426 MeV$ ，与 $N\bar{K}$ 耦合更强。低质量的态主要被发现于反应 $\pi^{-}p\to K^{0}\pi\Sigma$ ，而反应 $K^{-}p\to \pi^{0}\pi^{0}\Sigma^{0}$ 则在 $1420 MeV$ 产生了一个相对窄 $(\Gamma=38 MeV)$ 的峰。然而目前并不清楚上述结论里 $SU(3)$ 的破坏有多大，也许第二个极点甚至会淹没于本底之中。
我们建议通过测量 $J/\psi\to\Lambda_{1/2^{-}} \bar{\Lambda}_{1/2^{-}}$ 过程中（这里 $\Lambda_{1/2^{-}}$ 表示传统的 $\Lambda_{1/2^{-}}(1405)$ 或者Jido提出的两个共振态结构）下列衰变道的发生率去验证这些观点： $J/\psi\to(\Lambda_{1/2^{-}}\to\pi\Sigma)( \bar{\Lambda}_{1/2^{-}}\to\pi \bar{\Sigma})$ ， $J/\psi\to(\Lambda_{1/2^{-}}\to\bar{K}N)( \bar{\Lambda}_{1/2^{-}}\to\pi\bar{\Sigma})$ ， $J/\psi\to(\Lambda_{1/2^{-}}\to\bar{K}N)( \bar{\Lambda}_{1/2^{-}}\to K \bar{N})$ 。
在 $J/\psi$ 衰变中可以成对的产生 $SU(3)_{f}$ 单态重子或者八重态重子，但同时产生一个单态重子和八重态重子的过程是被压低的。如果存在两个态，那么 $\Lambda_{1/2^{-}}(1405)$ 和 $\:\bar{\Lambda}_{1/2^{-}}$ 的衰变应该存在关联；如果只有一个态，衰变是不相关的。我们预测第二种观点是正确的。根据已有工作，我们认为 $\Lambda_{1/2^{-}}(1405)$ 是一个三夸克共振态。
3. 重子混杂态
如果重子的性质与夸克模型的预测不相符，那么它有可能是重子混杂态。很多态都有这种可能， $N_{1/2^{+}}(1440)$ 就是其中之一。同样地， $\Lambda_{1/2^{+}}(1600)$ ， $\Sigma_{1/2^{+}}(1600)$ 和 $\Xi_{1/2^{+}}(1660)$ 具有较低的质量，也可能是重子混杂态。 $\Lambda_{1/2^{-}}(1405)$ 与 $\Lambda_{3/2^{-}}(1520)$ 的质量间隔比夸克模型预测值要大，但用混杂态就能够解释，类似还有 $\Lambda_{c}(2593)$ 和 $\Lambda_{c}(2676)$ 。
4. 宇称二重态，手性多重态

V 总结和展望

最近几年我们对含重味夸克的重子研究取得了显著进展，近四年来已知的含b夸克的重子数从1个增加到7个，已知的含粲重子数从16增加到34个。然而有很多问题需要澄清：很多例子里，含重味夸克的重子的量子数是依据夸克模型期望所推断的，直接的测量是值得期待。一个例外是 $\Lambda_{c}(2880)$ ，它的自旋宇称 $J^{p}=5/2^{+}$ 是利用级联衰变 $\Lambda_{c}(2880)^{+}\to(\Sigma_{c}(2455)\pi)^{+}$ （见图5）中的衰变角分布所确定的，而质量谱建议其自旋为 $1/2$ 或 $3/2$ ，宇称为负。迄今为止我们已知的最重的重子为 $\Omega_{b}$ ，只能可能为 $6.165\:GeV$ ，与含粲重子的奇异数激发态能量对比，几乎高了 $100\:MeV$ ，但这个结果最近受到了挑战。
含双粲的重子 $\Xi_{cc}^{+}$ 只在一个实验被发现，测量的质量比夸克模型的预测低了很多。令人意外的是， $c\bar{c}$ 对的产生机制不会产生太多的 $cc+\overline{cc}$ ，该机制被在 $e^{+}e^{-}$ 对撞中 $J/\psi+\eta_{c}$ 的发现所证实，即对撞过程的强子化会产生含双粲的重子。含三粲重子【或者（ccb）、（cbb）或（bbb）】之于重子来说就如同重夸克偶素之于介子：即高精度QCD研究的实验室。这是值得期待的，例如这些重子的Roper共振态模拟是将会是稳定的，且在负宇称激发态之下。
利用已有的机会，重重子谱的实验前景是光明的。值得一提的是，经常有定期举行的讨论和研讨会计划利用重离子对撞的产生潜力去研究奇异重子和重味重子谱，但对应的探测器、触发器和分析程序的升级还未开始。
LHC很有可能会产生大量的双粲重子，甚至三粲重子。关于产生速率请参考文献[Berezhnoi et al.(1998)]和[Gomshi Nobary and Sepahvand(2007)]。BELLE的升级将会极大提高B介子衰变，改善 $e^{+}e^{-}$ 湮灭的本底事例；我们已知的大部分信息来自于先前的BABAR实验，当前的BELLE实验以及CLEO实验。PANDA实验也为重味物理的研究提供了进一步唯一的可能。
轻重子谱已经又成为了粒子物理领域的焦点。夸克模型仍然是最具有信服力的理论。即使其最简单的版本--谐振子，也能用来解释低质量所期望的重子共振态数目，而且采用中心势和自旋依赖势能有效改善预言结果。在其相对论版本中，光产生的螺旋度振幅、磁矩和形状因子等电磁性质也能被很好地计算出来。然而在更高的激发态时，夸克模型遇到了“丢失共振态”的问题。这里我们回顾之前提到的，基态重子的质量不是来自相对论性夸克的运动，而是来自手性对称性破缺。由于手性对称性可以在一定体积内破缺，手性对称性破缺也可能是激发态重子质量的主要来源。
动态产生共振态的问题需要进一步澄清。夸克-胶子动力学所预测的态需要具有更高Fock配置的长程修正，而这种长程修正主要是由介子-重子相互作用决定的。另一方面，随着最近有效理论和手性动力学理论的发展，共振态可以从一个纯强子图像开始进行描述，但在这种方法中，短程修正又回到了相互作用的夸克。这种情况可能类似于磁场中的原子，在磁场中，弱磁场和强磁场的限制都相对简单。对于媒介场，截断的弱场和强场扩展给出了不同的预测，肤浅的观察者可能会将其错误解释为原子水平的两倍。对于重子共振态，夸克模型波函数和介子-重子态显然有相当大的重叠，因此它们的叠加应该小心处理。

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1. 丢失态

2. 规律

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E. 重子衰变

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