[論文レビュー] First Search for Exclusive Diphoton Production at High Mass with Tagged Protons in Proton-Proton Collisions at √ s = 13 TeV

A. Tumasyan, W. Adam+2402 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 43被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、√s = 13 TeV の陽子-陽子衝突において、タグ付き陽子と350 GeV 以上の二光子インバリアント質量を用いた、最初の排他的二光子生成の検索を報告する。信号イベントは観測されなかったため、異常な4光子結合パラメータの95%信頼区間の上限が初めて設定された：有効次元8の標準模型拡張において、|ζ₁| < 2.9 × 10⁻¹³ GeV⁻⁴ および |ζ₂| < 6.0 × 10⁻¹³ GeV⁻⁴ である。

ABSTRACT

A search for exclusive two-photon production via photon exchange in proton-proton collisions, pp $ o$ p$\gamma\gamma$p with intact protons, is presented. The data correspond to an integrated luminosity of 9.4 fb$^{-1}$ collected in 2016 using the CMS and TOTEM detectors at a center-of-mass energy of 13 TeV at the LHC. Events are selected with a diphoton invariant mass above 350 GeV and with both protons intact in the final state, to reduce backgrounds from strong interactions. The events of interest are those where the invariant mass and rapidity calculated from the momentum losses of the forward-moving protons matches the mass and rapidity of the central, two-photon system. No events are found that satisfy this condition. Interpreting this result in an effective dimension-8 extension of the standard model, the first limits are set on the two anomalous four-photon coupling parameters. If the other parameter is constrained to its standard model value, the limits at 95% CL are $\lvert\zeta_1 vert\lt$ 2.88$ imes$10$^{-13}$ GeV$^{-4}$ and $\lvert\zeta_2 vert\lt$6.02$ imes$10$^{-13}$GeV$^{-4}$.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeV の陽子-陽子衝突における光子同士の散乱を介した排他的二光子生成を検索すること。
• 高二光子インバリアント質量（>350 GeV）における異常な4光子結合を通じて、標準模型を超える物理学を探ること。
• 非常に前向きな検出器におけるタグ付き陽子を用いて、強い相互作用のバックグラウンドを抑制し、排他的過程を同定すること。
• 2016年のLHCデータの9.4 fb⁻¹ を用いて、次元8の異常な4光子結合パラメータ ζ₁ と ζ₂ の最初の実験的上限を設定すること。
• 陽子タグと二光子再構成を用いたCMSおよびTOTEM検出器の高質量排他的過程への感度を検証すること。

提案手法

• 2016年に√s = 13 TeV の陽子-陽子衝突データを9.4 fb⁻¹ だけ収集するために、CMSおよびTOTEM検出器を用いた。
• 中央部のCMS検出器に二つの光子が検出され、前方のTOTEM-CT-PPS分光計で二つの完全な陽子が検出されたイベントを選別した。
• ローマポット検出器のトラッキング施設から得た情報を用いて、陽子の運動量損失（ξ）とラピディティを再構成し、排他的イベントを同定した。
• 光子識別にブーストドリフトツリーを用い、排他的イベント選別を強化するために横方向運動量バランス基準を適用した。
• ハドロン的バックグラウンドを抑制するために、トリガーに1光子あたりpT > 60 GeV および HCAL/ECAL 電子エネルギー損失比 < 0.15 を要求した。
• 有効次元8のラグランジアンを用いて異常な4光子相互作用をモデル化した：Lγγγγ⁸ = ζ₁FμνFμνFρσFρσ + ζ₂FμνFμρFρσFσν。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeV の pp 衝突において、高二光子インバリアント質量（>350 GeV）での光子同士の散乱を介した排他的二光子生成は観測可能か？
• RQ2 有効次元8の標準模型拡張における異常な4光子結合パラメータ ζ₁ と ζ₂ の最初の実験的上限は何か？
• RQ3 前方検出器におけるタグ付き陽子は、高質量排他的二光子探索における強い相互作用のバックグラウンドをどの程度抑制できるか？
• RQ4 CMS-TOTEMシステムは、高エネルギーでの二光子と二つの完全な陽子を伴う排他的過程に対してどの程度感度を示すか？
• RQ5 高質量域で信号イベントが観測されなかったことは、新しい物理学の制約を示唆するのか、それとも標準模型の予測と整合的であるのか？

主な発見

• 350 GeV 以上の二光子インバリアント質量を満たす、完全な陽子を伴う排他的二光子条件を満たすイベントは観測されなかった。
• 信号イベントの不在により、異常な4光子結合パラメータの95%信頼区間上限が設定された：|ζ₁| < 2.9 × 10⁻¹³ GeV⁻⁴ および |ζ₂| < 6.0 × 10⁻¹³ GeV⁻⁴ である。
• 上限は、1つの結合パラメータが標準模型の値に固定されていると仮定することで、感度を向上させた。
• 本分析は、現在の検出器能力を用いたLHCにおける高質量排他的二光子探索の実現可能性を示した。
• 結果は、高質量領域における次元8の4光子結合に対する最初の直接的上限を示しており、光子同士の散乱探索の範囲を拡張した。
• 本研究は、QCDバックグラウンドの抑制に向けた陽子タグ技術の堅牢性を確認し、排他的過程の明確な同定を可能にした。