[論文レビュー] A search for new physics in central exclusive production using the missing mass technique with the CMS detector and the CMS-TOTEM precision proton spectrometer

CMS Collaboration, TOTEM Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、LHCにおける中央排他的生成において、CMSおよびTOTEMの高精度陽子スぺクトロメーターを用いた欠落質量技術を用いて、モデルに依存しない新しい物理現象の探索を提案している。陽子がマークされたイベントとZボソンまたは光子を伴う場合に、エネルギー運動量保存則を用いて検出されない粒子Xのインバリアント質量を再構築することで、600–1600 GeVの範囲でpp → pp + Z/γ + Xの可視断面積に対する上限を設定した。背景予測からの顕著なずれは観測されなかった。

ABSTRACT

A generic search is presented for the associated production of a Z boson or a photon with an additional unspecified massive particle X, pp $ o$ pp + Z/$\gamma$ + X, in proton-tagged events from proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV, recorded in 2017 with the CMS detector and the CMS-TOTEM precision proton spectrometer. The missing mass spectrum is analysed in the 600-1600 GeV range and a fit is performed to search for possible deviations from the background expectation. No significant excess in data with respect to the background predictions has been observed. Model-independent upper limits on the visible production cross section of pp $ o$ pp + Z/$\gamma$ + X are set.

研究の動機と目的

• 中央排他的生成を用いた陽子-陽子衝突における新しい物理現象のモデルに依存しないアプローチによる探索。
• 仮想の高質量粒子XがZボソンまたは光子とともに生成される場合に、欠落質量技術を適用して検出すること。
• CMS-TOTEM高精度陽子スぺクトロメーター（CT-PPS）による正確な陽子運動量測定を活用し、高分解能の運動量再構築を実現すること。
• 600–1600 GeVの質量範囲において、pp → pp + Z/γ + Xの可視生成断面積に対するモデルに依存しない上限を設定すること。
• 高質量で排他的な最終状態における新しい物理現象を探索するための欠落質量法の実用可能性を検証すること。

提案手法

• 色なしの粒子を交換した後も完全な陽子が残る中央排他的生成イベントを用い、CT-PPSで検出された。
• 中央のZ/γボソンおよび前方の陽子の4元運動量を用いて、検出されない粒子Xの質量mXを欠落質量mmiss = mXとして再構築する。
• 幅が狭いと仮定し、排他的な最終状態を想定して、高質量粒子XとZボソンまたは光子の排他的生成を簡略化されたモンテカルロシミュレーションでモデル化する。
• 分離された光子またはZ → ℓ+ℓ− 衰えに基づくイベント選別基準を適用し、中央CMSとCT-PPSにおける陽子マークをトリガーとする。
• 同じトレック内での他の衝突からの陽子と中央ボソンのランダム一致による背景を推定する。
• データとバックグラウンドのみの予測を比較するため、600–1600 GeV範囲のmmissスペクトルに対してフィットを実行する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 欠落質量技術は、中央排他的生成においてZボソンまたは光子とともに生成される新しい高質量粒子Xを検出できるか？
• RQ2 CMS-TOTEM陽子スぺクトロメーターは、mmiss再構築を用いて600–1600 GeVの高質量（600–1600 GeV）排他的共鳴にどの程度感度を持つか？
• RQ3 mmissスペクトルにおいて、バックグラウンドのみの仮説から顕著なずれが生じているか？
• RQ4 高質量領域におけるpp → pp + Z/γ + X生成の可視断面積に対するモデルに依存しない上限は何か？
• RQ5 Xの崩壊モードに関する仮定なしに、欠落質量法は新しい物理現象を効果的に探査できるか？

主な発見

• 600–1600 GeV範囲において、バックグラウンド予測を超える顕著な過剰は観測されなかった。
• 600–1600 GeVの質量範囲において、pp → pp + Z/γ + Xの可視生成断面積に対するモデルに依存しない上限が設定された。
• CMS-TOTEM高精度陽子スぺクトロメーターにより、陽子運動量の1％レベルの高分解能mmiss再構築が可能となった。
• バックグラウンドは、同じトレック内での他の衝突からの陽子と中央Z/γ生成の重なりによるパイルアップイベントが支配的である。
• 正確な陽子マークを用いた高質量中央排他的生成におけるモデルに依存しない探索の実用性が示された。
• 結果は、DOI: 10.1140/epjc/s10052-023-11687-5 を持つEuropean Physical Journal Cに掲載された。