Near-threshold $D\bar{D}$ spectroscopy and observation of a new charmonium state

LHCb Collaboration, R. Aaij, C. Abellán Beteta, B. Adeva, M. Adinolfi, C. A. Aidala, Z. Ajaltouni, S. Akar, P. Albicocco, J. Albrecht, F. Alessio, M. Alexander, A. Alfonso Albero, G. Alkhazov, P. Alvarez Cartelle, A. A. Alves Jr, S. Amato, Y. Amhis, L. An, L. Anderlini, G. Andreassi, M. Andreotti, J. E. Andrews, F. Archilli, J. Arnau Romeu, A. Artamonov, M. Artuso, K. Arzymatov, E. Aslanides, M. Atzeni, B. Audurier, S. Bachmann, J. J. Back, S. Baker, V. Balagura, W. Baldini, A. Baranov, R. J. Barlow, S. Barsuk, W. Barter, M. Bartolini, F. Baryshnikov, V. Batozskaya, B. Batsukh, A. Battig, V. Battista, A. Bay, F. Bedeschi, I. Bediaga, A. Beiter, L. J. Bel, S. Belin, N. Beliy, V. Bellee, N. Belloli, K. Belous, I. Belyaev, G. Bencivenni, E. Ben-Haim, S. Benson, S. Beranek, A. Berezhnoy, R. Bernet, D. Berninghoff, E. Bertholet, A. Bertolin, C. Betancourt, F. Betti, M. O. Bettler, Ia. Bezshyiko, S. Bhasin, J. Bhom, M. S. Bieker, S. Bifani, P. Billoir, A. Birnkraut, A. Bizzeti, M. Bjørn, M. P. Blago, T. Blake, F. Blanc, S. Blusk, D. Bobulska, V. Bocci, O. Boente Garcia, T. Boettcher, A. Bondar, N. Bondar, S. Borghi, M. Borisyak, M. Borsato, M. Boubdir, T. J. V. Bowcock, C. Bozzi, S. Braun, M. Brodski, J. Brodzicka, A. Brossa Gonzalo, D. Brundu, E. Buchanan, A. Buonaura, C. Burr, A. Bursche, J. Buytaert, W. Byczynski, S. Cadeddu, H. Cai, R. Calabrese, S. Cali, R. Calladine, M. Calvi, M. Calvo Gomez, A. Camboni, P. Campana, D. H. Campora Perez, L. Capriotti, A. Carbone, G. Carboni, R. Cardinale, A. Cardini, P. Carniti, K. Carvalho Akiba, G. Casse, M. Cattaneo, G. Cavallero, R. Cenci, M. G. Chapman, M. Charles, Ph. Charpentier, G. Chatzikonstantinidis, M. Chefdeville, V. Chekalina, C. Chen, S. Chen, S. -G. Chitic, V. Chobanova, M. Chrzaszcz, A. Chubykin, P. Ciambrone, X. Cid Vidal, G. Ciezarek, F. Cindolo, P. E. L. Clarke, M. Clemencic, H. V. Cliff, J. Closier, V. Coco, J. A. B. Coelho, J. Cogan, E. Cogneras, L. Cojocariu, P. Collins, T. Colombo, A. Comerma-Montells, A. Contu, G. Coombs, S. Coquereau, G. Corti, C. M. Costa Sobral, B. Couturier, G. A. Cowan, D. C. Craik, A. Crocombe, M. Cruz Torres, R. Currie, C. L. Da Silva, E. Dall'Occo, J. Dalseno, C. D'Ambrosio, A. Danilina, P. d'Argent, A. Davis, O. De Aguiar Francisco, K. De Bruyn, S. De Capua, M. De Cian, J. M. De Miranda, L. De Paula, M. De Serio, P. De Simone, J. A. de Vries, C. T. Dean, W. Dean, D. Decamp, L. Del Buono, B. Delaney, H. -P. Dembinski, M. Demmer, A. Dendek, D. Derkach, O. Deschamps, F. Desse, F. Dettori, B. Dey, A. Di Canto, P. Di Nezza, S. Didenko, H. Dijkstra, F. Dordei, M. Dorigo, A. C. dos Reis, A. Dosil Suárez, L. Douglas, A. Dovbnya, K. Dreimanis, L. Dufour, G. Dujany, P. Durante, J. M. Durham, D. Dutta, R. Dzhelyadin, M. Dziewiecki, A. Dziurda, A. Dzyuba, S. Easo, U. Egede, V. Egorychev, S. Eidelman, S. Eisenhardt, U. Eitschberger, R. Ekelhof, L. Eklund, S. Ely, A. Ene, S. Escher, S. Esen, T. Evans, A. Falabella, C. Färber, N. Farley, S. Farry, D. Fazzini, M. Féo, P. Fernandez Declara, A. Fernandez Prieto, F. Ferrari, L. Ferreira Lopes, F. Ferreira Rodrigues, S. Ferreres Sole, M. Ferro-Luzzi, S. Filippov, R. A. Fini, M. Fiorini, M. Firlej, C. Fitzpatrick, T. Fiutowski, F. Fleuret, M. Fontana, F. Fontanelli, R. Forty, V. Franco Lima, M. Frank, C. Frei, J. Fu, W. Funk, E. Gabriel, A. Gallas Torreira, D. Galli, S. Gallorini, S. Gambetta, Y. Gan, M. Gandelman, P. Gandini, Y. Gao, L. M. Garcia Martin, J. García Pardiñas, B. Garcia Plana, J. Garra Tico, L. Garrido, D. Gascon, C. Gaspar, G. Gazzoni, D. Gerick, E. Gersabeck, M. Gersabeck, T. Gershon, D. Gerstel, Ph. Ghez, V. Gibson, O. G. Girard, P. Gironella Gironell, L. Giubega, K. Gizdov, V. V. Gligorov, C. Göbel, D. Golubkov, A. Golutvin, A. Gomes, I. V. Gorelov, C. Gotti, E. Govorkova, J. P. Grabowski, R. Graciani Diaz, L. A. Granado Cardoso, E. Graugés, E. Graverini, G. Graziani, A. Grecu, R. Greim, P. Griffith, L. Grillo, L. Gruber, B. R. Gruberg Cazon, C. Gu, E. Gushchin, A. Guth, Yu. Guz, T. Gys, T. Hadavizadeh, C. Hadjivasiliou, G. Haefeli, C. Haen, S. C. Haines, B. Hamilton, Q. Han, X. Han, T. H. Hancock, S. Hansmann-Menzemer, N. Harnew, T. Harrison, C. Hasse, M. Hatch, J. He, M. Hecker, K. Heinicke, A. Heister, K. Hennessy, L. Henry, M. Heß, J. Heuel, A. Hicheur, R. Hidalgo Charman, D. Hill, M. Hilton, P. H. Hopchev, J. Hu, W. Hu, W. Huang, Z. C. Huard, W. Hulsbergen, T. Humair, M. Hushchyn, D. Hutchcroft, D. Hynds, P. Ibis, M. Idzik, P. Ilten, A. Inglessi, A. Inyakin, K. Ivshin, R. Jacobsson, S. Jakobsen, J. Jalocha, E. Jans, B. K. Jashal, A. Jawahery, F. Jiang, M. John, D. Johnson, C. R. Jones, C. Joram, B. Jost, N. Jurik, S. Kandybei, M. Karacson, J. M. Kariuki, S. Karodia, N. Kazeev, M. Kecke, F. Keizer, M. Kelsey, M. Kenzie, T. Ketel, B. Khanji, A. Kharisova, C. Khurewathanakul, K. E. Kim, T. Kirn, V. S. Kirsebom, S. Klaver, K. Klimaszewski, S. Koliiev, M. Kolpin, R. Kopecna, P. Koppenburg, I. Kostiuk, S. Kotriakhova, M. Kozeiha, L. Kravchuk, M. Kreps, F. Kress, S. Kretzschmar, P. Krokovny, W. Krupa, W. Krzemien, W. Kucewicz, M. Kucharczyk, V. Kudryavtsev, G. J. Kunde, A. K. Kuonen, T. Kvaratskheliya, D. Lacarrere, G. Lafferty, A. Lai, D. Lancierini, G. Lanfranchi, C. Langenbruch, T. Latham, C. Lazzeroni, R. Le Gac, R. Lefèvre, A. Leflat, F. Lemaitre, O. Leroy, T. Lesiak, B. Leverington, H. Li, P. -R. Li, X. Li, Y. Li, Z. Li, X. Liang, T. Likhomanenko, R. Lindner, F. Lionetto, V. Lisovskyi, G. Liu, X. Liu, D. Loh, A. Loi, I. Longstaff, J. H. Lopes, G. Loustau, G. H. Lovell, D. Lucchesi, M. Lucio Martinez, Y. Luo, A. Lupato, E. Luppi, O. Lupton, A. Lusiani, X. Lyu, F. Machefert, F. Maciuc, V. Macko, P. Mackowiak, S. Maddrell-Mander, O. Maev, K. Maguire, D. Maisuzenko, M. W. Majewski, S. Malde, B. Malecki, A. Malinin, T. Maltsev, H. Malygina, G. Manca, G. Mancinelli, D. Marangotto, J. Maratas, J. F. Marchand, U. Marconi, C. Marin Benito, M. Marinangeli, P. Marino, J. Marks, P. J. Marshall, G. Martellotti, M. Martinelli, D. Martinez Santos, F. Martinez Vidal, A. Massafferri, M. Materok, R. Matev, A. Mathad, Z. Mathe, V. Matiunin, C. Matteuzzi, K. R. Mattioli, A. Mauri, E. Maurice, B. Maurin, M. McCann, A. McNab, R. McNulty, J. V. Mead, B. Meadows, C. Meaux, N. Meinert, D. Melnychuk, M. Merk, A. Merli, E. Michielin, D. A. Milanes, E. Millard, M. -N. Minard, L. Minzoni, D. S. Mitzel, A. Mödden, A. Mogini, R. D. Moise, T. Mombächer, I. A. Monroy, S. Monteil, M. Morandin, G. Morello, M. J. Morello, J. Moron, A. B. Morris, R. Mountain, F. Muheim, M. Mukherjee, M. Mulder, D. Müller, J. Müller, K. Müller, V. Müller, C. H. Murphy, D. Murray, P. Naik, T. Nakada, R. Nandakumar, A. Nandi, T. Nanut, I. Nasteva, M. Needham, N. Neri, S. Neubert, N. Neufeld, R. Newcombe, T. D. Nguyen, C. Nguyen-Mau, S. Nieswand, R. Niet, N. Nikitin, N. S. Nolte, A. Oblakowska-Mucha, V. Obraztsov, S. Ogilvy, D. P. O'Hanlon, R. Oldeman, C. J. G. Onderwater, J. D. Osborn, A. Ossowska, J. M. Otalora Goicochea, T. Ovsiannikova, P. Owen, A. Oyanguren, P. R. Pais, T. Pajero, A. Palano, M. Palutan, G. Panshin, A. Papanestis, M. Pappagallo, L. L. Pappalardo, W. Parker, C. Parkes, G. Passaleva, A. Pastore, M. Patel, C. Patrignani, A. Pearce, A. Pellegrino, G. Penso, M. Pepe Altarelli, S. Perazzini, D. Pereima, P. Perret, L. Pescatore, K. Petridis, A. Petrolini, A. Petrov, S. Petrucci, M. Petruzzo, B. Pietrzyk, G. Pietrzyk, M. Pikies, M. Pili, D. Pinci, J. Pinzino, F. Pisani, A. Piucci, V. Placinta, S. Playfer, J. Plews, M. Plo Casasus, F. Polci, M. Poli Lener, M. Poliakova, A. Poluektov, N. Polukhina, I. Polyakov, E. Polycarpo, G. J. Pomery, S. Ponce, A. Popov, D. Popov, S. Poslavskii, E. Price, C. Prouve, V. Pugatch, A. Puig Navarro, H. Pullen, G. Punzi, W. Qian, J. Qin, R. Quagliani, B. Quintana, N. V. Raab, B. Rachwal, J. H. Rademacker, M. Rama, M. Ramos Pernas, M. S. Rangel, F. Ratnikov, G. Raven, M. Ravonel Salzgeber, M. Reboud, F. Redi, S. Reichert, F. Reiss, C. Remon Alepuz, Z. Ren, V. Renaudin, S. Ricciardi, S. Richards, K. Rinnert, P. Robbe, A. Robert, A. B. Rodrigues, E. Rodrigues, J. A. Rodriguez Lopez, M. Roehrken, S. Roiser, A. Rollings, V. Romanovskiy, A. Romero Vidal, J. D. Roth, M. Rotondo, M. S. Rudolph, T. Ruf, J. Ruiz Vidal, J. J. Saborido Silva, N. Sagidova, B. Saitta, V. Salustino Guimaraes, C. Sanchez Gras, C. Sanchez Mayordomo, B. Sanmartin Sedes, R. Santacesaria, C. Santamarina Rios, M. Santimaria, E. Santovetti, G. Sarpis, A. Sarti, C. Satriano, A. Satta, M. Saur, D. Savrina, S. Schael, M. Schellenberg, M. Schiller, H. Schindler, M. Schmelling, T. Schmelzer, B. Schmidt, O. Schneider, A. Schopper, H. F. Schreiner, M. Schubiger, S. Schulte, M. H. Schune, R. Schwemmer, B. Sciascia, A. Sciubba, A. Semennikov, E. S. Sepulveda, A. Sergi, N. Serra, J. Serrano, L. Sestini, A. Seuthe, P. Seyfert, M. Shapkin, T. Shears, L. Shekhtman, V. Shevchenko, E. Shmanin, B. G. Siddi, R. Silva Coutinho, L. Silva de Oliveira, G. Simi, S. Simone, I. Skiba, N. Skidmore, T. Skwarnicki, M. W. Slater, J. G. Smeaton, E. Smith, I. T. Smith, M. Smith, M. Soares, l. Soares Lavra, M. D. Sokoloff, F. J. P. Soler, B. Souza De Paula, B. Spaan, E. Spadaro Norella, P. Spradlin, F. Stagni, M. Stahl, S. Stahl, P. Stefko, S. Stefkova, O. Steinkamp, S. Stemmle, O. Stenyakin, M. Stepanova, H. Stevens, A. Stocchi, S. Stone, S. Stracka, M. E. Stramaglia, M. Straticiuc, U. Straumann, S. Strokov, J. Sun, L. Sun, Y. Sun, K. Swientek, A. Szabelski, T. Szumlak, M. Szymanski, Z. Tang, T. Tekampe, G. Tellarini, F. Teubert, E. Thomas, M. J. Tilley, V. Tisserand, S. T'Jampens, M. Tobin, S. Tolk, L. Tomassetti, D. Tonelli, D. Y. Tou, R. Tourinho Jadallah Aoude, E. Tournefier, M. Traill, M. T. Tran, A. Trisovic, A. Tsaregorodtsev, G. Tuci, A. Tully, N. Tuning, A. Ukleja, A. Usachov, A. Ustyuzhanin, U. Uwer, A. Vagner, V. Vagnoni, A. Valassi, S. Valat, G. Valenti, M. van Beuzekom, H. Van Hecke, E. van Herwijnen, C. B. Van Hulse, J. van Tilburg, M. van Veghel, A. Vasiliev, R. Vazquez Gomez, P. Vazquez Regueiro, C. Vázquez Sierra, S. Vecchi, J. J. Velthuis, M. Veltri, A. Venkateswaran, M. Vernet, M. Veronesi, M. Vesterinen, J. V. Viana Barbosa, D. Vieira, M. Vieites Diaz, H. Viemann, X. Vilasis-Cardona, A. Vitkovskiy, M. Vitti, V. Volkov, A. Vollhardt, D. Vom Bruch, B. Voneki, A. Vorobyev, V. Vorobyev, N. Voropaev, R. Waldi, J. Walsh, J. Wang, M. Wang, Y. Wang, Z. Wang, D. R. Ward, H. M. Wark, N. K. Watson, D. Websdale, A. Weiden, C. Weisser, M. Whitehead, G. Wilkinson, M. Wilkinson, I. Williams, M. Williams, M. R. J. Williams, T. Williams, F. F. Wilson, M. Winn, W. Wislicki, M. Witek, G. Wormser, S. A. Wotton, K. Wyllie, D. Xiao, Y. Xie, H. Xing, A. Xu, M. Xu, Q. Xu, Z. Xu, Z. Xu, Z. Yang, Z. Yang, Y. Yao, L. E. Yeomans, H. Yin, J. Yu, X. Yuan, O. Yushchenko, K. A. Zarebski, M. Zavertyaev, M. Zeng, D. Zhang, L. Zhang, W. C. Zhang, Y. Zhang, A. Zhelezov, Y. Zheng, X. Zhu, V. Zhukov, J. B. Zonneveld, S. Zucchelli

Published 2019-03-28Version 1

Using proton-proton collision data, corresponding to an integrated luminosity of 9$fb^{-1}$, collected with the~LHCb detector between 2011 and 2018, a new narrow charmonium state, the $X(3842)$ resonance, is observed in the decay modes $X(3842)\rightarrow D^0\bar{D}^0$ and $X(3842)\rightarrow D^+D^-$. The mass and the natural width of this state are measured to be \begin{eqnarray*} m_{X(3842)} & = & 3842.71 \pm 0.16 \pm 0.12 MeV/c^2\,, \Gamma_{X(3842)} & = & 2.79 \pm 0.51 \pm 0.35 MeV\,, \end{eqnarray*} where the first uncertainty is statistical and the~second is systematic. The observed mass and narrow natural width suggest the~interpretation of the new state as the~unobserved spin\nobreakdash-3 $\psi_3\mathrm{\left(1^3D_3\right)}$ charmonium state. In addition, prompt hadroproduction of the $\psi(3770)$~and $\chi_{c2}(3930)$ states is observed for the first time, and the parameters of these~states are measured to be \begin{eqnarray*} m_{\psi(3770)} & = & 3778.1 \pm 0.7 \pm 0.6 MeV/c^2\,, m_{\chi_{c2}(3930)} & = & 3921.9 \pm 0.6 \pm 0.2 MeV/c^2\,, \Gamma_{\chi_{c2}(3930)} & = &36.6 \pm 1.9 \pm 0.9 MeV\,, \end{eqnarray*} where the first uncertainty is statistical and the~second is systematic.