奇特強子態的內部組成

1. 奇特強子態的各種理論解釋

奇特強子態的發現對于我們認識夸克層次的物質組成具有重要的意義，同時也為我們提供了研究強相互作用細節的路徑，引起了理論物理學家的極大興趣。針對奇特強子態，理論上通常從質量（譜）、衰變等角度展開研究。研究奇特強子態的理論主要有唯象模型、格點QCD以及有效場論等[2]。

唯象模型從兩個層次研究奇特強子態：夸克層次和強子層次。夸克層次的模型主要為勢模型。人們根據強子的可能組成，構造相互作用，得到強子的可觀測量，最后通過對比實驗數據，判別奇特強子態的內部組成。夸克層次的方法還有QCD求和規則。人們通過組分夸克構造相應的流，對強子的可觀測量進行計算，通過對比實驗數據來判斷哪種夸克組分是最有可能存在的。勢模型和QCD求和規則分別是在坐標空間和動量空間研究奇特強子態的有效手段。

格點QCD是利用大規模數值計算研究QCD理論的非微擾求解方法,是從第一性原理出發研究非微擾強相互作用的重要方法之一。近年來隨著計算機技術的快速發展、相關算法和理論的不斷突破，格點QCD在強相互作用研究中發揮了重要的作用。格點QCD的基本思想是將QCD定義在有限大小、離散的歐氏空間，利用場論的路徑積分形式，計算得到強相互作用的相關物理量。目前，格點QCD在奇特強子態的研究中得到了廣泛應用。

有效場論是處理非微擾強相互作用的有效理論。有效場論通常根據所研究系統的對稱性及對稱破缺情況，構造相應的小量，然后對小量進行微擾展開，得到符合計階規則的勢能[3]。手征對稱性及其破缺對應的小量是mπ/4πfπ（mπ為π介子質量，fπ是π介子衰變常數），以此為基礎構建手征微擾理論。重夸克自旋對稱性對應的小量是ΛQCD/mQ（ΛQCD是QCD能標，mQ是重夸克質量）,相應的理論是重夸克有效理論。有效場論根據計算所需的精度選擇相應的階數，從而系統地估計理論誤差。由于有效場論中有若干未知的低能常數，通常通過實驗數據擬合以確定常數。由于有效場論可以和格點QCD聯系起來，可以通過擬合格點QCD數據確定有效場論中未知的低能常數。

對于奇特強子態的理論解釋涉及強子分子態、混合態、緊致多夸克態以及運動學效應等。混合態指的是幾種不同成分混合形成的態，如強子分子態和傳統介子/重子混合形成的態。緊致多夸克態是系統中帶顏色的雙夸克通過色磁相互作用形成的色單態。運動學效應指的是實驗上看到了一些共振峰，這些峰是強子衰變過程中三角圖機制引起的異常增大現象，不是一個真實存在的粒子。

2. 奇特強子態的分子態圖像

很多奇特強子態位于一對傳統強子的閾值附近，看起來與真實的物理態之間有很強的耦合，以至于被看作由傳統強子組成的分子態，這種構型是QCD理論允許存在的。氘核是由兩個核子形成的束縛態，是實驗上唯一確認的強子分子態。在奇特強子態中還沒有被實驗完全確認的強子分子態，因此氘核被稱為強子分子態候選者。接下來用一個簡明的圖像把奇特強子態與強子分子態建立聯系，以P波激發態的粲偶素為例，從量子數守恒角度，P波等效于一對正反輕夸克，將P波替換為一對正反輕夸克，然后將一對正反輕夸克與原有的一對正反粲夸克進行重組，就會得到一對粲介子，即P波激發態的粲偶素有可能是一對粲介子形成的分子態。用類似的圖像，D波/S波等效于兩對正反輕夸克，可以得出D波/S波激發態的粲偶素可能的三種分子態構型：三體強子態、重子-反重子態或兩體強子態。接下來針對目前實驗上的兩類奇特強子態，從分子態角度展開介紹。

第一類是奇特的介子/重子，最著名的是X(3872)，其質量非常接近一對粲介子DD*的質量閾值，可以在分子態框架下利用很多模型解釋它的質量，這是它被稱為強子分子態候選者的原因之一。另外，X(3872)的衰變分支比揭示了很大的同位旋破缺現象，很難在傳統粲偶素框架下理解這一現象，分子態圖像可以解釋這個分支比。此外，X(3872)的衰變寬度非常窄，符合分子態的特征，因此X(3872)是一個很好的強子分子態候選者。根據溫伯格提出的Compositeness規則，在X(3872)中可能存在其他構型，如緊致四夸克態（由色磁相互作用主導）等，原則上以分子態為探針可以探究所有奇特強子態的性質，因此分子態圖像是目前研究奇特強子態性質非常有效的一種圖像。

第二類是多夸克態，以隱粲五夸克態為例。歐洲的大型強子對撞機發現了4個五夸克態：Pc (4312)（下標c代表粲夸克）、Pc (4380)、Pc (4440)和Pc (4457)，它們的質量接近的質量閾值，并且衰變寬度比較窄，是強子分子態的候選者。我們通過有效場論和單玻色子交換的方法將它們解釋為強子分子態[4-5]，并且預言了存在其他的重夸克自旋對稱性伙伴態，得到了一個完整的重夸克自旋對稱性下的強子分子態多重態，如圖2所示，這個圖像得到了進一步研究證據的支持。一旦實驗中發現其他幾個伙伴態，五夸克態的分子態屬性即被證實。

由于耦合道效應在強子-強子相互作用中比較明顯，因此強子分子態相對氘核來說，動力學機制比較復雜，理論研究更困難。強子分子態作為一種可能的QCD構型，已經確認它的存在對于理解物質的基本組成以及強相互作用的非微擾效應具有重要意義。為了確定強子分子態的構型，通常有兩種思路，一種是尋找新的物理可觀測量，其必須在分子態構型或其他構型下有非常明顯的差異；另一種是基于一些模型無關的方法提升理論精度，比如基于對稱性預言強子分子態伙伴態，尋找實驗伙伴態粒子，能檢驗實驗中已經發現的奇特強子態的分子態本質，是一種模型無關的方法。此外，還有一種模型無關的方法是通過實驗尋找與兩體分子態相關的三體強子分子態候選者，將在下節詳細闡述。

圖2 強子分子態多重態