[論文レビュー] Search for high-mass exclusive diphoton production with tagged protons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS, TOTEM Collaborations+2422 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 44被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、CMSおよびTOTEMの精度プロトンスプライサー（PPS）から取得したタグ付きプロトンを用いて、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突における高質量特異的二光子生成を、光子-光子融合反応として探索した。1件の特異的二光子候補が観測され、異常な4光子結合に対する95%信頼水準の上限として|ζ1| < 0.073 TeV⁻⁴および|ζ2| < 0.15 TeV⁻⁴が得られ、500–2000 GeVの質量範囲における軸標模型粒子（ALP）の結合に対して上限が設定された。

ABSTRACT

A search is presented for high-mass exclusive diphoton production via photon-photon fusion in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV in events where both protons survive the interaction. The analysis utilizes data corresponding to an integrated luminosity of 103 fb$^{-1}$ collected in 2016-2018 with the central CMS detector and the CMS and TOTEM precision proton spectrometer (PPS). Events that have two photons with high transverse momenta ($p_\mathrm{T}^γ$ $\gt$ 100 GeV), back-to-back in azimuth, and with a large diphoton invariant mass ($m_{γγ}$ $\gt$ 350 GeV) are selected. To remove the dominant inclusive diphoton backgrounds, the kinematic properties of the protons detected in PPS are required to match those of the central diphoton system. Only events having opposite-side forward protons detected with a fractional momentum loss between 0.035 and 0.15 (0.18) for the detectors on the negative (positive) side of CMS are considered. One exclusive diphoton candidate is observed for an expected background of 1.1 events. Limits at 95% confidence level are derived for the four-photon anomalous coupling parameters $\lvertζ_1 vert$ $\lt$ 0.073 TeV$^{-4}$ and $\lvertζ_2 vert$ $\lt$ 0.15 TeV$^{-4}$, using an effective field theory. Additionally, upper limits are placed on the production of axion-like particles with coupling strength to photons $f^{-1}$ that varies from 0.03 TeV$^{-1}$ to 1 TeV$^{-1}$ over the mass range from 500 to 2000 GeV.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理を、陽子-陽子衝突における高質量特異的二光子生成を通じて探査すること。
• 有効場理論を用いて、多テルバースケールでの異常四粒子ゲージ結合（aQGC）の存在を検証すること。
• 特異的過程における2光子への崩壊を通じて、軸標模型粒子（ALP）の探索を行うこと。
• CMS実験の精度プロトンスプライサー（PPS）を用いて完全なプロトンをタグすることで感度を向上させること。
• 2016–2018年の期間に得られた103 fb⁻¹の統合放射線量を用いて、新しい物理に対する厳密な上限を設定すること。

提案手法

• CMSおよびTOTEMが収集した、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突からのデータを用いる。
• ハードウェアおよびハイレベルトリガーを備えた二段階トリガー系を適用し、高横断運動量を持つ光子（pT > 100 GeV）を含むイベントを選別する。
• 運動量的条件を課す：アゼイムス方向で背中合わせの光子であり、二光子インvariant質量（mγγ > 350 GeV）が大きいこと。
• PPS検出器でプロトンがタグ付きであることを要件とし、負の側（0.035〜0.15）および正の側（0.18）におけるエネルギー損失の割合が、二光子系のラピディティと一致すること。
• 異常な4光子相互作用をモデル化するため、次元8の演算子を含む有効場理論ラグランジアンを用いる：L4γ = ζ1FμνFμνFρσFρσ + ζ2FμνFνρFρλFλμ。
• 感度を向上させるために、改良された光子識別、前方プロトン再構築、およびバックグラウンド推定技術を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タグ付きプロトンを用いた陽子-陽子衝突において、高インバリアント質量領域での特異的二光子生成（光子融合経路）が観測可能か？
• RQ2 95%信頼水準における異常4光子結合パラメータζ1およびζ2の上限は何か？
• RQ3 500–2000 GeVの質量範囲における光子への結合を持つ軸標模型粒子生成に対して、どのような制約が得られるか？
• RQ4 タグ付きプロトンの導入により、インクリューシブ探索と比較して特異的二光子イベントに対する感度はどの程度向上するか？
• RQ5 観測データが、特異的二光子チャンネルにおける期待されるバックグラウンドからどの程度ずれているか？

主な発見

• 1件の特異的二光子候補が観測され、予想されるバックグラウンドは1.1イベントであった。
• 異常4光子結合に対する95%信頼水準の上限として|ζ1| < 0.073 TeV⁻⁴および|ζ2| < 0.15 TeV⁻⁴が設定された。
• 500–2000 GeVの質量範囲にわたり、軸標模型粒子の結合定数f⁻¹に対する上限が0.03 TeV⁻¹から1 TeV⁻¹の範囲で導出された。
• 放射線量が10倍以上増加したことに加え、再構築およびバックグラウンド推定技術の向上により、以前の結果よりも感度が向上した。
• LHCにおける特異的二光子チャンネルにおける4光子異常結合および軸標模型粒子生成に対する、これまでで最も厳しい制約が得られた。
• 本研究では、バックグラウンドが低減され信号純度が向上するため、タグ付きプロトンを用いた特異的過程の探査が実現可能であることが示された。