[論文レビュー] Observation of τ Lepton Pair Production in Ultraperipheral Pb-Pb Collisions at √sNN = 5.02 TeV

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang+2377 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、CMSが取得した404 µb⁻¹のデータを用いて、√sNN = 5.02 TeVの超外部的Pb-Pb衝突において、2光子融合（γγ → τ⁺τ⁻）によるτレプトン対生成の観測を初めて報告する。測定された有効断面積は4.8 ± 0.6 ± 0.5 µbであり、一次のQED予測と一致しており、τレプトンの異常磁気モーメントに関するモデル依存の制約が得られた：aτ = 0.001⁺⁰.⁰⁵⁵₋₀.⁰⁸⁹。

ABSTRACT

We present an observation of photon-photon production of $ au$ lepton pairs in ultraperipheral lead-lead collisions. The measurement is based on a data sample with an integrated luminosity of 404 $\mu$b$^{-1}$ collected by the CMS experiment at a nucleon-nucleon center-of-mass energy of 5.02 TeV. The $\gamma\gamma o au^+ au^-$ process is observed for $ au au$ events with a muon and three charged hadrons in the final state. The measured fiducial cross section is $\sigma(\gamma\gamma o au^+ au^-)$ = 4.8$\pm$ 0.6 (stat) $\pm$ 0.5 (syst) $\mu$b, in agreement with leading-order QED predictions. Using $\sigma(\gamma\gamma o au^+ au^-)$, we estimate a model-dependent value of the anomalous magnetic moment of the $ au$ lepton of $a_ au$ = 0.001$^{+0.055}_{-0.089}$ at a 68% confidence level.

研究の動機と目的

• 超外部的Pb-Pb衝突におけるγγ → τ⁺τ⁻生成の観測を通じて、光子誘発反応を研究するクリアな環境を提供すること。
• τレプトン対生成の有効断面積を測定し、一次のQED予測を検証すること。
• 電子およびミュオンと比較して測定が不十分なτレプトンの異常磁気モーメント（aτ）について、モデル依存の制約を抽出すること。
• τレプトンの電磁的結合に関する制約を通じて、標準模型を超える新しい物理を探る。
• 高光度重イオン環境において、ハドロン的τ崩壊とミュオン的シグネチャを用いた精度の高い電弱測定の可能性を示すこと。

提案手法

• 1つのミュオンを要件とするオンライントリガー、高エネルギーのトラックがなく、前方HFコロメータで低活動（1タワーバイアスでE < 4 GeV）である超外部的Pb-Pbイベントの選別。
• オフラインでの有効断面積選別では、正確に1つのミュオンと3つの追加の荷電粒子トラックを要件とし、ミュオンを用いてτµの再構築を行い、3本の分岐を持つハドロン的崩壊を用いてτhの識別を行う。
• CMSの粒子フローアルゴリズムを用いて、シリコントラッカー、電磁気的およびハドロン的コロメータ、およびミュオン検出器からの情報を統合し、τレプトン候補を再構築する。
• 二重ミュオン光子生成およびハドロン的衝突からのバックグラウンドを抑制するため、運動学的およびトポロジカルな基準を適用する。
• 信号領域の収量、推定されたバックグラウンド寄与、および検出器効率補正を用いて有効断面積を抽出する。
• γγ → τ⁺τ⁻振幅におけるaτの線形依存性を仮定し、測定された断面積からモデル依存の異常磁気モーメントaτを抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √sNN = 5.02 TeVにおける超外部的Pb-Pb衝突で、2光子融合によるτレプトン対生成が観測可能か？
• RQ2 測定されたγγ → τ⁺τ⁻の有効断面積は、一次のQED予測と一致するか？
• RQ3 この測定を用いて、τレプトンの異常磁気モーメントにどの程度の制約を課せるか？
• RQ4 高多重度の重イオン環境において、τレプトンのハドロン的崩壊モードが、τ再構築に有効に利用可能か？
• RQ5 τレプトンの電磁的結合に関する制約を通じて、この測定が標準模型を超える新しい物理にどの程度感度を持つか？

主な発見

• γγ → τ⁺τ⁻過程は、標準的な閾値を超える有意性を示し、重イオン衝突におけるこの過程の初観測を達成した。
• 測定された有効断面積はσ(γγ → τ⁺τ⁻) = 4.8 ± 0.6 (統計) ± 0.5 (系誤差) µbであり、一次のQED予測と非常に良好に一致している。
• モデル依存のτレプトンの異常磁気モーメントに関する制約が抽出され、aτ = 0.001⁺⁰.⁰⁵⁵₋₀.⁰⁸⁹となった。
• この測定は、高光度・高多重度の重イオン環境において、ミュオン＋3本の分岐を持つハドロン的τ崩壊シグネチャを用いたτ再構築の実現可能性を示した。
• 既存のe⁺e⁻衝突機器からの制限と補完する形で、τレプトンの電磁的構造を調べるための新しい独立した測定チャネルを提供した。
• 前方コロメータの活動およびトラック多重度に対する厳密な選別により、バックグラウンドを高レベルで抑制し、クリアな信号を確保した。