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  • Elliptic anisotropy measurement of the f0(980) hadron in proton-lead collisions and evidence for its quark-antiquark composition

This content will become publicly available on December 1, 2026

Title: Elliptic anisotropy measurement of the f0(980) hadron in proton-lead collisions and evidence for its quark-antiquark composition
Abstract Despite the f0(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 ($${{\rm{q}}}\overline{{{\rm{q}}}}$$ q q ¯ ) meson, a tetraquark ($${{\rm{q}}}\overline{{{\rm{q}}}}{{\rm{q}}}\overline{{{\rm{q}}}}$$ q q ¯ q q ¯ ) exotic state, a kaon-antikaon ($${{\rm{K}}}\overline{{{\rm{K}}}}$$ K K ¯ ) molecule, or a quark-antiquark-gluon ($${{\rm{q}}}\overline{{{\rm{q}}}}{{\rm{g}}}$$ q q ¯ g ) hybrid. This paper reports strong evidence that the f0(980) state is an ordinary$${{\rm{q}}}\overline{{{\rm{q}}}}$$ q q ¯ meson, inferred from the scaling of elliptic anisotropies (v2) with the number of constituent quarks (nq), as empirically established using conventional hadrons in relativistic heavy ion collisions. The f0(980) state is reconstructed via its dominant decay channel f0(980) →π+π−, in proton-lead collisions recorded by the CMS experiment at the LHC, and itsv2is measured as a function of transverse momentum (pT). It is found that thenq= 2 ($${{\rm{q}}}\overline{{{\rm{q}}}}$$ q q ¯ state) hypothesis is favored overnq= 4 ($${{\rm{q}}}\overline{{{\rm{q}}}}{{\rm{q}}}\overline{{{\rm{q}}}}$$ q q ¯ q q ¯ or$${{\rm{K}}}\overline{{{\rm{K}}}}$$ K K ¯ states) by 7.7, 6.3, or 3.1 standard deviations in thepT< 10, 8, or 6 GeV/cranges, respectively, and overnq= 3 ($${{\rm{q}}}\overline{{{\rm{q}}}}{{\rm{g}}}$$ q q ¯ g hybrid state) by 3.5 standard deviations in thepT< 8 GeV/crange. This result represents the first determination of the quark content of the f0(980) state, made possible by using a novel approach, and paves the way for similar studies of other exotic hadron candidates.  more » « less
Award ID(s):
2121686
PAR ID:
10643495
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Springer Nature
Date Published:
Journal Name:
Nature Communications
Volume:
16
Issue:
1
ISSN:
2041-1723
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
More Like this
  1. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    Abstract We present measurements of the branching fractions of eight$$ {\overline{B}}^0 $$ B ¯ 0 →D(*)+K−$$ {K}_{(S)}^{\left(\ast \right)0} $$ K S ∗ 0 ,B−→D(*)0K−$$ {K}_{(S)}^{\left(\ast \right)0} $$ K S ∗ 0 decay channels. The results are based on data from SuperKEKB electron-positron collisions at the Υ(4S) resonance collected with the Belle II detector, corresponding to an integrated luminosity of 362 fb−1. The event yields are extracted from fits to the distributions of the difference between expected and observedBmeson energy, and are efficiency-corrected as a function ofm(K−$$ {K}_{(S)}^{\left(\ast \right)0} $$ K S ∗ 0 ) andm(D(*)$$ {K}_{(S)}^{\left(\ast \right)0} $$ K S ∗ 0 ) in order to avoid dependence on the decay model. These results include the first observation of$$ {\overline{B}}^0 $$ B ¯ 0 →D+K−$$ {K}_S^0 $$ K S 0 ,B−→D*0K−$$ {K}_S^0 $$ K S 0 , and$$ {\overline{B}}^0 $$ B ¯ 0 →D*+K−$$ {K}_S^0 $$ K S 0 decays and a significant improvement in the precision of the other channels compared to previous measurements. The helicity-angle distributions and the invariant mass distributions of theK−$$ {K}_{(S)}^{\left(\ast \right)0} $$ K S ∗ 0 systems are compatible with quasi-two-body decays via a resonant transition with spin-parityJP= 1−for theK−$$ {K}_S^0 $$ K S 0 systems andJP= 1+for theK−K*0systems. We also present measurements of the branching fractions of four$$ {\overline{B}}^0 $$ B ¯ 0 →D(*)+$$ {D}_s^{-} $$ D s − ,B−→D(*)0$$ {D}_s^{-} $$ D s − decay channels with a precision compatible to the current world averages. 
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  2. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> A search for supersymmetry is presented in events with a single charged lepton, electron or muon, and multiple hadronic jets. The data correspond to an integrated luminosity of 138 fb−1of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV, recorded by the CMS experiment at the CERN LHC. The search targets gluino pair production, where the gluinos decay into final states with the lightest supersymmetric particle (LSP) and either a top quark-antiquark ($$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ ) pair, or a light-flavor quark-antiquark ($$ \textrm{q}\overline{\textrm{q}} $$ q q ¯ ) pair and a virtual or on-shell W boson. The main backgrounds,$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ pair and W+jets production, are suppressed by requirements on the azimuthal angle between the momenta of the lepton and of its reconstructed parent W boson candidate, and by top quark and W boson identification based on a machine-learning technique. The number of observed events is consistent with the expectations from standard model processes. Limits are evaluated on supersymmetric particle masses in the context of two simplified models of gluino pair production. Exclusions for gluino masses reach up to 2120 (2050) GeV at 95% confidence level for a model with gluino decay to a$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ pair (a$$ \textrm{q}\overline{\textrm{q}} $$ q q ¯ pair and a W boson) and the LSP. For the same models, limits on the mass of the LSP reach up to 1250 (1070) GeV. 
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  3. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> A measurement of theCP-violating parameters in$$ {B}_s^0\boldsymbol{\to}{D}_s^{\mp }{K}^{\pm} $$ B s 0 → D s ∓ K ± decays is reported, based on the analysis of proton-proton collision data collected by the LHCb experiment corresponding to an integrated luminosity of 6 fb−1at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The measured parameters are obtained with a decay-time dependent analysis yieldingCf= 0.791 ± 0.061 ± 0.022,$$ {A}_f^{\Delta \Gamma} $$ A f ∆ Γ = −0.051 ± 0.134 ± 0.058,$$ {A}_{\overline{f}}^{\Delta \Gamma} $$ A f ¯ ∆ Γ = −0.303 ± 0.125 ± 0.055,Sf= −0.571 ± 0.084 ± 0.023 and$$ {S}_{\overline{f}} $$ S f ¯ = −0.503 ± 0.084 ± 0.025, where the first uncertainty is statistical and the second systematic. This corresponds to CP violation in the interference between mixing and decay of about 8.6σ. Together with the value of the$$ {B}_s^0 $$ B s 0 mixing phase −2βs, these parameters are used to obtain a measurement of the CKM angleγequal to (74 ± 12)° modulo 180°, where the uncertainty contains both statistical and systematic contributions. This result is combined with the previous LHCb measurement in this channel using 3 fb−1resulting in a determination of$$ \gamma ={\left({81}_{-11}^{+12}\right)}^{\circ } $$ γ = 81 − 11 + 12 ∘ . 
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  4. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> An analysis of the production of a Higgs boson (H) in association with a top quark-antiquark pair ($$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{H} $$ t t ¯ H ) or a single top quark (tH) is presented. The Higgs boson decay into a bottom quark-antiquark pair (H →$$ \textrm{b}\overline{\textrm{b}} $$ b b ¯ ) is targeted, and three different final states of the top quark decays are considered, defined by the number of leptons (electrons or muons) in the event. The analysis utilises proton-proton collision data collected at the CERN LHC with the CMS experiment at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV in 2016–2018, which correspond to an integrated luminosity of 138 fb−1. The observed$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{H} $$ t t ¯ H production rate relative to the standard model expectation is 0.33 ± 0.26 = 0.33 ± 0.17(stat) ± 0.21(syst). Additionally, the$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{H} $$ t t ¯ H production rate is determined in intervals of Higgs boson transverse momentum. An upper limit at 95% confidence level is set on the tH production rate of 14.6 times the standard model prediction, with an expectation of$$ {19.3}_{-6.0}^{+9.2} $$ 19.3 − 6.0 + 9.2 . Finally, constraints are derived on the strength and structure of the coupling between the Higgs boson and the top quark from simultaneous extraction of the$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{H} $$ t t ¯ H and tH production rates, and the results are combined with those obtained in other Higgs boson decay channels. 
    more » « less
  5. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> Measurements of the production cross sections of prompt D0, D+, D*+,$$ {\textrm{D}}_{\textrm{s}}^{+} $$ D s + ,$$ {\Lambda}_{\textrm{c}}^{+} $$ Λ c + , and$$ {\Xi}_{\textrm{c}}^{+} $$ Ξ c + charm hadrons at midrapidity in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV with the ALICE detector are presented. The D-meson cross sections as a function of transverse momentum (pT) are provided with improved precision and granularity. The ratios ofpT-differential meson production cross sections based on this publication and on measurements at different rapidity and collision energy provide a constraint on gluon parton distribution functions at low values of Bjorken-x(10−5–10−4). The measurements of$$ {\Lambda}_{\textrm{c}}^{+} $$ Λ c + ($$ {\Xi}_{\textrm{c}}^{+} $$ Ξ c + ) baryon production extend the measuredpTintervals down topT= 0(3) GeV/c. These measurements are used to determine the charm-quark fragmentation fractions and the$$ \textrm{c}\overline{\textrm{c}} $$ c c ¯ production cross section at midrapidity (|y|<0.5) based on the sum of the cross sections of the weakly-decaying ground-state charm hadrons D0, D+,$$ {\textrm{D}}_{\textrm{s}}^{+} $$ D s + ,$$ {\Lambda}_{\textrm{c}}^{+} $$ Λ c + ,$$ {\Xi}_{\textrm{c}}^0 $$ Ξ c 0 and, for the first time,$$ {\Xi}_{\textrm{c}}^{+} $$ Ξ c + , and of the strongly-decaying J/ψmesons. The first measurements of$$ {\Xi}_{\textrm{c}}^{+} $$ Ξ c + and$$ {\Sigma}_{\textrm{c}}^{0,++} $$ Σ c 0 , + + fragmentation fractions at midrapidity are also reported. A significantly larger fraction of charm quarks hadronising to baryons is found compared to e+e−and ep collisions. The$$ \textrm{c}\overline{\textrm{c}} $$ c c ¯ production cross section at midrapidity is found to be at the upper bound of state-of-the-art perturbative QCD calculations. 
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