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Elliptic anisotropy measurement of the f$_0$(980) hadron in proton-lead collisions and evidence for its quark-antiquark composition

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2023

[10.3204/PUBDB-2023-08196]  GO

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Report No.: CERN-EP-2023-294; CMS-HIN-20-002; arXiv:2312.17092

Abstract: Despite the f$_0$(980) hadron having been discovered half a century ago, the question about its quark content has not been settled: it might be an ordinary quark-antiquark ($\mathrm{q\bar{q}}$) meson, a tetraquark ($\mathrm{q\bar{q}q\bar{q}}$) exotic state, a kaon-antikaon ($\mathrm{K\bar{K}}$) molecule, or a quark-antiquark-gluon ($\mathrm{q\bar{q}g}$) hybrid. This paper reports strong evidence that the f$_0$(980) state is an ordinary $\mathrm{q\bar{q}}$ meson, inferred from the scaling of elliptic anisotropies ($v_2$) with the number of constituent quarks ($n_\mathrm{q}$), as empirically established using conventional hadrons in relativistic heavy ion collisions. The f$_0$(980) state is reconstructed via its dominant decay channel f$_0$(980) $\to$$\pi^+\pi^-$, in proton-lead collisions recorded by the CMS experiment at the LHC, and its $v_2$ is measured as a function of transverse momentum ($p_\mathrm{T}$). It is found that the $n_q$ = 2 ($\mathrm{q\bar{q}}$ state) hypothesis is favored over $n_q$ = 4 ($\mathrm{q\bar{q}q\bar{q}}$ or $\mathrm{K\bar{K}}$ states) by 7.7, 6.3, or 3.1 standard deviations in the $p_\mathrm{T}$$\lt$ 10, 8, or 6 GeV/$c$ ranges, respectively, and over $n_\mathrm{q}$ = 3 ($\mathrm{q\bar{q}g}$ hybrid state) by 3.5 standard deviations in the $p_\mathrm{T}$$\lt$ 8 GeV/$c$ range. This result represents the first determination of the quark content of the f$_0$(980) state, made possible by using a novel approach, and paves the way for similar studies of other exotic hadron candidates.

Keyword(s): heavy ion, scattering ; quark, constituent ; hadron, exotic ; GeV ; anisotropy ; hybrid ; quark antiquark ; meson ; tetraquark ; transverse momentum ; scaling ; CERN LHC Coll ; CMS


Note: Submitted to Nature Physics. All figures and tables can be found at http://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/publications/HIN-20-002 (CMS Public Pages)
Contributing Institute(s):
  1. LHC/CMS Experiment (CMS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
Experiment(s):
  1. LHC: CMS

Appears in the scientific report 2023
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Elliptic anisotropy measurement of the f$_0$(980) hadron in proton-lead collisions and evidence for its quark-antiquark composition
Nature Communications 16(1), 7990 () [10.1038/s41467-025-56200-6]  GO DBCoverage  Download fulltext Files  Download fulltextFulltext Download fulltextFulltext by arXiv.org BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

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