奇特强子态的内部组成

1. 奇特强子态的各种理论解释

奇特强子态的发现对于我们认识夸克层次的物质组成具有重要的意义，同时也为我们提供了研究强相互作用细节的路径，引起了理论物理学家的极大兴趣。针对奇特强子态，理论上通常从质量（谱）、衰变等角度展开研究。研究奇特强子态的理论主要有唯象模型、格点QCD以及有效场论等[2]。

唯象模型从两个层次研究奇特强子态：夸克层次和强子层次。夸克层次的模型主要为势模型。人们根据强子的可能组成，构造相互作用，得到强子的可观测量，最后通过对比实验数据，判别奇特强子态的内部组成。夸克层次的方法还有QCD求和规则。人们通过组分夸克构造相应的流，对强子的可观测量进行计算，通过对比实验数据来判断哪种夸克组分是最有可能存在的。势模型和QCD求和规则分别是在坐标空间和动量空间研究奇特强子态的有效手段。

格点QCD是利用大规模数值计算研究QCD理论的非微扰求解方法,是从第一性原理出发研究非微扰强相互作用的重要方法之一。近年来随着计算机技术的快速发展、相关算法和理论的不断突破，格点QCD在强相互作用研究中发挥了重要的作用。格点QCD的基本思想是将QCD定义在有限大小、离散的欧氏空间，利用场论的路径积分形式，计算得到强相互作用的相关物理量。目前，格点QCD在奇特强子态的研究中得到了广泛应用。

有效场论是处理非微扰强相互作用的有效理论。有效场论通常根据所研究系统的对称性及对称破缺情况，构造相应的小量，然后对小量进行微扰展开，得到符合计阶规则的势能[3]。手征对称性及其破缺对应的小量是mπ/4πfπ（mπ为π介子质量，fπ是π介子衰变常数），以此为基础构建手征微扰理论。重夸克自旋对称性对应的小量是ΛQCD/mQ（ΛQCD是QCD能标，mQ是重夸克质量）,相应的理论是重夸克有效理论。有效场论根据计算所需的精度选择相应的阶数，从而系统地估计理论误差。由于有效场论中有若干未知的低能常数，通常通过实验数据拟合以确定常数。由于有效场论可以和格点QCD联系起来，可以通过拟合格点QCD数据确定有效场论中未知的低能常数。

对于奇特强子态的理论解释涉及强子分子态、混合态、紧致多夸克态以及运动学效应等。混合态指的是几种不同成分混合形成的态，如强子分子态和传统介子/重子混合形成的态。紧致多夸克态是系统中带颜色的双夸克通过色磁相互作用形成的色单态。运动学效应指的是实验上看到了一些共振峰，这些峰是强子衰变过程中三角图机制引起的异常增大现象，不是一个真实存在的粒子。

2. 奇特强子态的分子态图像

很多奇特强子态位于一对传统强子的阈值附近，看起来与真实的物理态之间有很强的耦合，以至于被看作由传统强子组成的分子态，这种构型是QCD理论允许存在的。氘核是由两个核子形成的束缚态，是实验上唯一确认的强子分子态。在奇特强子态中还没有被实验完全确认的强子分子态，因此氘核被称为强子分子态候选者。接下来用一个简明的图像把奇特强子态与强子分子态建立联系，以P波激发态的粲偶素为例，从量子数守恒角度，P波等效于一对正反轻夸克，将P波替换为一对正反轻夸克，然后将一对正反轻夸克与原有的一对正反粲夸克进行重组，就会得到一对粲介子，即P波激发态的粲偶素有可能是一对粲介子形成的分子态。用类似的图像，D波/S波等效于两对正反轻夸克，可以得出D波/S波激发态的粲偶素可能的三种分子态构型：三体强子态、重子-反重子态或两体强子态。接下来针对目前实验上的两类奇特强子态，从分子态角度展开介绍。

第一类是奇特的介子/重子，最著名的是X(3872)，其质量非常接近一对粲介子DD*的质量阈值，可以在分子态框架下利用很多模型解释它的质量，这是它被称为强子分子态候选者的原因之一。另外，X(3872)的衰变分支比揭示了很大的同位旋破缺现象，很难在传统粲偶素框架下理解这一现象，分子态图像可以解释这个分支比。此外，X(3872)的衰变宽度非常窄，符合分子态的特征，因此X(3872)是一个很好的强子分子态候选者。根据温伯格提出的Compositeness规则，在X(3872)中可能存在其他构型，如紧致四夸克态（由色磁相互作用主导）等，原则上以分子态为探针可以探究所有奇特强子态的性质，因此分子态图像是目前研究奇特强子态性质非常有效的一种图像。

第二类是多夸克态，以隐粲五夸克态为例。欧洲的大型强子对撞机发现了4个五夸克态：Pc (4312)（下标c代表粲夸克）、Pc (4380)、Pc (4440)和Pc (4457)，它们的质量接近的质量阈值，并且衰变宽度比较窄，是强子分子态的候选者。我们通过有效场论和单玻色子交换的方法将它们解释为强子分子态[4-5]，并且预言了存在其他的重夸克自旋对称性伙伴态，得到了一个完整的重夸克自旋对称性下的强子分子态多重态，如图2所示，这个图像得到了进一步研究证据的支持。一旦实验中发现其他几个伙伴态，五夸克态的分子态属性即被证实。

由于耦合道效应在强子-强子相互作用中比较明显，因此强子分子态相对氘核来说，动力学机制比较复杂，理论研究更困难。强子分子态作为一种可能的QCD构型，已经确认它的存在对于理解物质的基本组成以及强相互作用的非微扰效应具有重要意义。为了确定强子分子态的构型，通常有两种思路，一种是寻找新的物理可观测量，其必须在分子态构型或其他构型下有非常明显的差异；另一种是基于一些模型无关的方法提升理论精度，比如基于对称性预言强子分子态伙伴态，寻找实验伙伴态粒子，能检验实验中已经发现的奇特强子态的分子态本质，是一种模型无关的方法。此外，还有一种模型无关的方法是通过实验寻找与两体分子态相关的三体强子分子态候选者，将在下节详细阐述。

图2 强子分子态多重态