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Journal Article PUBDB-2025-04039
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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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2025
Springer Nature [London]

Nature Communications 16(1), 7990 () [10.1038/s41467-025-56200-6]
 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 (${{\rm{q}}}\overline{{{\rm{q}}}}$) meson, a tetraquark (${{\rm{q}}}\overline{{{\rm{q}}}}{{\rm{q}}}\overline{{{\rm{q}}}}$) exotic state, a kaon-antikaon (${{\rm{K}}}\overline{{{\rm{K}}}}$) molecule, or a quark-antiquark-gluon (${{\rm{q}}}\overline{{{\rm{q}}}}{{\rm{g}}}$) hybrid. This paper reports strong evidence that the f$_{0}$(980) state is an ordinary ${{\rm{q}}}\overline{{{\rm{q}}}}$ meson, inferred from the scaling of elliptic anisotropies (v$_{2}$) with the number of constituent quarks (n$_{q}$), 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) → π$^{+}$π$^{−}$, 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$_{T}$). It is found that the n$_{q}$ = 2 (${{\rm{q}}}\overline{{{\rm{q}}}}$ state) hypothesis is favored over n$_{q}$ = 4 (${{\rm{q}}}\overline{{{\rm{q}}}}{{\rm{q}}}\overline{{{\rm{q}}}}$ or ${{\rm{K}}}\overline{{{\rm{K}}}}$ states) by 7.7, 6.3, or 3.1 standard deviations in the p$_{T}$ < 10, 8, or 6 GeV/c ranges, respectively, and over n$_{q}$ = 3 (${{\rm{q}}}\overline{{{\rm{q}}}}{{\rm{g}}}$ hybrid state) by 3.5 standard deviations in the p$_{T}$ < 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 ; interpretation of experiments: CERN LHC Coll ; interpretation of experiments: CMS

Classification:
Contributing Institute(s):
  1. LHC/CMS Experiment (CMS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
  2. HIDSS-0002 - DASHH: Data Science in Hamburg - Helmholtz Graduate School for the Structure of Matter (2019_IVF-HIDSS-0002) (2019_IVF-HIDSS-0002)
  3. DFG project G:(GEPRIS)390833306 - EXC 2121: Quantum Universe (390833306) (390833306)
Experiment(s):
  1. LHC: CMS
Database coverage:
Medline ; Creative Commons Attribution CC BY (No Version) ; DOAJ ; Article Processing Charges ; BIOSIS Previews ; Biological Abstracts ; Clarivate Analytics Master Journal List ; Current Contents - Agriculture, Biology and Environmental Sciences ; Current Contents - Life Sciences ; Current Contents - Physical, Chemical and Earth Sciences ; DOAJ Seal ; Essential Science Indicators ; Fees ; IF >= 15 ; JCR ; SCOPUS ; Science Citation Index Expanded ; Web of Science Core Collection ; Zoological Record
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