[論文レビュー] Elliptic anisotropy measurement of the f$_0$(980) hadron in proton-lead collisions and evidence for its quark-antiquark composition

CMS Collaboration, Hayrapetyan, Aram+2336 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、LHCのCMS実験から得られたデータを用い、陽子- lead 衝突における構成クォーク数（nq）に従ったv₂スケーリングを通じて、f₀(980)ハドロンが従来のクォーク-反クォーク（qq）メソンである最初の直接的証拠を提示している。f₀(980)はπ⁺π⁻崩壊を通じて再構成され、横運動量（pT）の関数としてv₂が測定され、高信頼性の水準でnq = 2（qq）状態がnq = 4（テトラクォークまたはKK分子）およびnq = 3（ハイブリッド）状態よりも強く支持されている。

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) $ o$$\pi^+\pi^-$, in proton-lead collisions recorded by the CMS experiment at the LHC, and its $v_2$ is measured as a function of transverse momentum ($p_\mathrm{T}$). It is found that the $n_q$ = 2 ($\mathrm{q\bar{q}}$ state) hypothesis is favored over $n_q$ = 4 ($\mathrm{q\bar{q}q\bar{q}}$ or $\mathrm{K\bar{K}}$ states) by 7.7, 6.3, or 3.1 standard deviations in the $p_\mathrm{T}$$\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.

研究の動機と目的

• 長年の未解決問題である、従来のqqメソン、テトラクォーク、分子状態、ハイブリッド状態のいずれに分類されるか不明なf₀(980)ハドロンのクォーク内容を特定すること。
• f₀(980)が構成クォーク数（nq）に従ったv₂スケーリングを示すかどうかを検証し、クォークの共存によるハドロン化の特徴であるかを評価すること。
• 軽クォークで構成されるExoticハドロンのクォーク内容を解明するための、v₂スケーリングに基づく新規手法を適用すること。
• 重イオン衝突に類似した非対称性パターンを用いて、最初の直接的な実験的決定としてf₀(980)のクォーク構成を決定すること。

提案手法

• √sNN = 8.16 TeVの陽子- lead（pPb）衝突において、f₀(980)の主要崩壊モードf₀(980) → π⁺π⁻を通じてf₀(980)共鳴状態を再構成する。
• イベントごとの方位角運動量分布解析を用いて、f₀(980)の楕円非対称性（v₂）を横運動量（pT）の関数として測定する。
• 構成クォーク数（nq）スケーリング仮説を適用：v₂ ∝ nq、ここでnq = 2はqqメソン、nq = 3はq q gハイブリッド、nq = 4はテトラクォークまたはKK分子に対応する。
• 複数のpTビンにわたり、f₀(980)の測定v₂値を、異なるnq仮説に対する期待されるv₂スケーリングと比較する。
• 統計的有意水準（標準偏差単位）を用いて、各nq仮説がデータとどの程度整合するかを評価する。
• ハドロン化の共存モデル（類似した位相空間座標を持つクォークが集まってハドロンを形成する）を活用し、集団的流れパターンからクォーク内容を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 f₀(980)ハドロンが構成クォーク数に従った楕円非対称性スケーリングを示す場合、それは従来のクォーク-反クォーク（qq）メソンとして整合的か？
• RQ2 pPb衝突におけるf₀(980)の測定v₂は、テトラクォーク（qqqq）または中間子状態（KK）のどちらが、標準的なqqメソンよりも優位に支持されるか？
• RQ3 f₀(980)のv₂は、クォーク-反クォーク-グルーオン（qqg）ハイブリッド状態の予測と、構成クォーク数スケーリングの観点からどの程度一致するか？
• RQ4 pPb衝突におけるv₂スケーリング行動は、軽クォークハドロンの異なるクォーク内容仮説を区別するために使用可能か？
• RQ5 f₀(980)状態においてnq = 2仮説が他のnq値よりも支持される統計的有意水準はどの程度か？

主な発見

• pT < 10 GeV/c 範囲では、nq = 2（qqメソン）仮説がnq = 4（テトラクォークまたはKK分子）仮説を7.7標準偏差の有意差で上回っている。
• pT < 8 GeV/c 範囲ではnq = 2対nq = 4の有意差が6.3標準偏差に達し、pT < 6 GeV/c 範囲では3.1標準偏差に達している。
• pT < 8 GeV/c 範囲では、nq = 2仮説がnq = 3（qqgハイブリッド）仮説を3.5標準偏差で上回っている。
• f₀(980)の測定v₂はnqに線形にスケーリングしており、共存モデルと整合的であり、従来のクォーク-反クォーク構造を支持している。
• 本研究は、f₀(980)状態のクォーク構成を最初の直接的実験的決定として行い、数十年にわたるハドロン分光論の未解決問題を解消した。
• 結果は、v₂スケーリングを構成クォーク数に従って用いることが、高多重度の陽子-核衝突におけるExoticハドロンのクォーク構造を解明する強力な手法であることを裏付けた。