[论文解读] 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 2

一句话总结

该论文首次提供了直接证据，表明f₀(980)强子是传统的夸克-反夸克（qq）介子，这是通过其在质子-铅核碰撞中与组成夸克数（nq）的椭圆各向异性（v₂）标度关系确定的。利用大型强子对撞机（LHC）上CMS实验的数据，f₀(980)通过其π⁺π⁻衰变模式重建，v₂随横动量（pT）的变化被测量，结果显示在高显著性水平下，nq = 2（qq）假设显著优于nq = 4（四夸克或KK分子）和nq = 3（胶球混合态）假设。

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.

研究动机与目标

• 确定长期未分类的f₀(980)强子的夸克内容，其尚未被明确归类为传统qq介子、四夸克、分子态或胶球混合态。
• 检验f₀(980)是否表现出与组成夸克数（nq）计数一致的v₂标度行为，这是通过夸克聚并形成强子机制的特征。
• 应用一种基于v₂标度的新方法，以解决由轻夸克组成的奇特强子的夸克内容问题。
• 首次通过质子-核碰撞中类似重离子的各向异性模式，直接实验测定f₀(980)的夸克组成。

提出的方法

• 在√sNN = 8.16 TeV的质子-铅（pPb）碰撞中，通过f₀(980) → π⁺π⁻衰变道重建f₀(980)共振态。
• 利用事件级的方位角动量分布分析，测量f₀(980)的椭圆各向异性（v₂）随横动量（pT）的变化。
• 应用组成夸克数（nq）标度假说：v₂ ∝ nq，其中nq = 2代表qq介子，nq = 3代表qqg胶球混合态，nq = 4代表四夸克或KK分子态。
• 将f₀(980)的测量v₂值与不同nq假设下预期的v₂标度在多个pT区间进行比较。
• 使用统计显著性（以标准差表示）评估数据与每种nq假设的兼容性。
• 利用强子化过程中的聚并模型，即强子由具有相似相空间坐标的夸克形成，从而从集体流模式推断其夸克内容。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于其与组成夸克数的椭圆各向异性标度关系，f₀(980)强子是否与传统的夸克-反夸克（qq）介子一致？
• RQ2 在pPb碰撞中测量的f₀(980)的v₂是否更支持四夸克（qqqq）或标量介子（KK）分子态，而非标准qq介子？
• RQ3 与q q g胶球混合态的预测相比，f₀(980)的v₂在组成夸克数标度下表现如何？
• RQ4 pPb碰撞中的v₂标度行为是否可用于区分轻夸克强子的不同夸克内容假设？
• RQ5 对于f₀(980)态，nq = 2假设相对于其他nq值的偏好具有多高的统计显著性？

主要发现

• 在pT < 10 GeV/c范围内，nq = 2（qq介子）假设相对于nq = 4（四夸克或KK分子）假设的偏好达到7.7个标准差。
• 在pT < 8 GeV/c范围内，nq = 2相对于nq = 4的偏好达到6.3个标准差；在pT < 6 GeV/c范围内，该偏好为3.1个标准差。
• 在pT < 8 GeV/c范围内，nq = 2假设相对于nq = 3（qqg胶球混合态）假设的偏好为3.5个标准差。
• 测量得到的f₀(980)的v₂与nq呈线性标度关系，与聚并模型一致，支持其为传统夸克-反夸克结构。
• 本研究首次通过直接实验手段确定了f₀(980)态的夸克组成，解决了强子谱学中数十年来的疑问。
• 结果验证了利用组成夸克数对v₂进行标度，是探测高多重性质子-核碰撞中奇特强子夸克结构的有力工具。