Electromagnetic polarizabilities of the spin-$$\frac{3}{2}$$ baryons in heavy baryon chiral perturbation theory

Abstract We employ Heavy Baryon Chiral Perturbation Theory (HB $$\chi $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mi>χ</mml:mi> </mml:math> PT), a non-relativistic effective field theory that treats baryons as heavy static sources, to calculate the electromagnetic polarizabilities of spin-3/2 baryons in two sectors: the light-flavor decuplet baryons and singly heavy sextet baryons. We derive the analytical expressions up to $$\mathcal {O}\left( p^3\right) $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>O</mml:mi> <mml:mfenced> <mml:msup> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msup> </mml:mfenced> </mml:mrow> </mml:math> . Our results indicate that the long-range chiral corrections provide substantial contributions to the polarizabilities. In addition, magnetic dipole (M1) transitions of the baryons can significantly affect the magnetic polarizabilities and may reverse their signs. For the decuplet baryons, the $$\Delta ^+$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mi>Δ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> </mml:math> and $$\Delta ^0$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mi>Δ</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msup> </mml:math> exhibit the largest electric polarizabilities. Their values, $$\alpha _E(\Delta ^+) = (17.5 \pm 9.5)\times 10^{-4} \, \textrm{fm}^3$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>α</mml:mi> <mml:mi>E</mml:mi> </mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>Δ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>17.5</mml:mn> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>9.5</mml:mn> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mspace/> <mml:msup> <mml:mtext>fm</mml:mtext> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> and $$\alpha _E(\Delta ^0) = (17.0 \pm 9.3)\times 10^{-4} \, \textrm{fm}^3$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>α</mml:mi> <mml:mi>E</mml:mi> </mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>Δ</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msup> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>17.0</mml:mn> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>9.3</mml:mn> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mspace/> <mml:msup> <mml:mtext>fm</mml:mtext> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> , significantly exceed those typically observed for nucleons. Meanwhile, the electric polarizabilities of spin-3/2 singly heavy baryons are comparable to those of their spin-1/2 partners.