大NQCD框架下重子谱与结构的手征夸克模型研究

The spectrums, structures and decays of the baryons including the exotic states has been one of the hot topics in the frontier field of strong interaction and hadron physics, and become an important and ideal place for testing the theory of strong interaction, Quantum Chromodynamics(QCD). The large Nc theory of baryons, based on the 't Hooft’s idea of large Nc QCD, gives a qualitative argument for the validity of the soliton picture and the quark model of baryon as well as their equivalence based on the large Nc field theory of QCD. This project plans to study the spectrums, decay properties of baryons including some possible exotic states and to identify the quantum numbers of the partial N*’s and singly charmed baryons using the chiral quark model in the framework of the large Nc QCD, thereby clarifying the role of QCD color factor Nc and chiral symmetry in hadron structure. It will be done by introducing the large Nc counting rules into chiral quark model and solving it analytically and numerically in the approximations of the Witten’s mean-field picture and the SU(6) spin-flavor symmetry for arbitrary Nc using the large harmonic-oscillator basis expansion and the Landau’s method of complex classical trajectory, so as to compute and explore the spectrums, decay rates and quark structures of baryons including singly charmed flavor.

包括奇特态在内的重子谱﹑衰变和结构问题的研究，是强相互作用和强子物理前沿研究领域的热点问题之一，同时也是检验强相互作用量子色动力学(QCD)的一个重要的场所。重子的大Nc展开理论，基于't Hooft大Nc QCD思想，为重子的孤子图像、夸克模型及其等价性给出了一个基于QCD场论的定性论证。本课题拟利用大Nc QCD理论框架下的手征夸克模型研究包括可能的奇特态在内的重子谱和衰变性质，识别部分N*和单璨味重子的量子数，由此阐明QCD颜色因子Nc及手征对称性在强子结构中所扮演的角色。主要通过在手征夸克模型中引入QCD大Nc计数规则，在Witten平均场和SU(6)自旋味对称近似下，利用大谐振子基展开法和朗道复经典轨道方法解析和数值地求解Nc依赖的手征夸克模型，检验模型的Nc稳定性并计算和探索包括单璨重子在内重子的谱﹑衰变和夸克结构。

重子谱﹑衰变和结构问题的研究，是理解低能强相互作用物理的重要突破口和实验田之一。由于2016后重味重子的实验进展，重子（特别是重味重子）谱和结构的研究受到国际关注并取得系列进展。 我们在大N-QCD框架下系统地研究了准相对论夸克模型和流管（弦）模型的准两体能谱，由此获得部分轻介子、单重味介子和单重味重子的雷吉型质量关系，给出与实验吻合的强子激发谱和结构（J^P量子数），同时预言了若干单重味介子和重子的量子数。我们还系统地研究了相对S波重轻介子构成的、所有可能的分子态，其中考虑了S-D波和eta-eta'混合。重要结果如下：（1）模型求解分别获得单重味介子和单重味重子解析的雷吉型质量关系，其中轨迹截距强烈依赖夸克/双夸克质量和重味夸克质量。系统地计算了除了Omiga_c,b之外重味重子的激发态质量谱，结果与实验质量数据吻合并预言了几个Xi_b的激发态。（2）基于有效重夸克理论计算表明，观测到的X(3872)是一个由DD*bar 构成的、松散的束缚态,而Z_c(3900)/Z_c(4020)和 Z_b(10610)/Z_b(10650)则不是束缚态。此外还给出若干重轻介子可能形成的束缚态或分子束缚态不存在的预言。. 以上结果在强子激发谱观测数据和低能量子色动力学（QCD）之间提供了一个半经典的联系，为夸克/弦模型走向基于QCD有效场论和第一原理计算提供了一个中介；也为强子和奇特态更高激发谱的实验寻找提供线索和帮助。