[논문 리뷰] 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)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 중심 배제 생성에서 새로운 물리 현상을 탐색하기 위해 모델에 의존하지 않는 방법을 제시한다. CMS와 TOTEM의 정밀한 양성자 스펙트럼계를 사용하여, 태깅된 양성자와 Z 보손 또는 광자와 함께 발생한 사건에서 에너지-운동량 보존을 통해 탐지되지 않은 입자 X의 진동 질량을 재구성함으로써, 600–1600 GeV 범위에서 pp → pp + Z/γ + X의 가시성 단면적에 대한 상한을 설정한다. 배경 예측과의 유의미한 편차는 관측되지 않았다.

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.

연구 동기 및 목표

• 모델에 의존하지 않는 접근법을 사용하여 중심 배제 생성을 통한 양성자-양성자 충돌에서 새로운 물리 현상을 탐색하기 위해.
• 가상의 질량이 큰 입자 X가 Z 보손 또는 광자와 함께 생성될 경우를 탐지하기 위해 부족 질량 기법을 적용하기 위해.
• CMS-TOTEM 정밀 양성자 스펙트럼계(CT-PPS)를 통해 정밀한 양성자 운동량 측정을 활용하여 고해상도 운동량 재구성하기 위해.
• 600–1600 GeV 질량 범위에서 pp → pp + Z/γ + X의 가시 생산 단면적에 대한 모델에 의존하지 않는 상한을 설정하기 위해.
• 높은 질량, 배제적인 최종 상태에서 새로운 물리 현상을 탐색하기 위해 부족 질량 방법의 가능성을 시험하기 위해.

제안 방법

• 색이 없는 입자를 교환한 후 그대로 남아 있는 두 양성자가 CT-PPS에 의해 탐지되는 중심 배제 생성 사건을 사용한다.
• 중앙 Z/γ 보손과 전방 양성자의 4벡터를 이용하여 부족 질량 mmiss = mX를 재구성함으로써 탐지되지 않은 입자 X의 질량을 추론한다.
• 협착 폭이 좁고 배제적인 최종 상태를 가정하여, 질량이 큰 입자 X가 Z 보손 또는 광자와 함께 배제적으로 생성되는 것을 모의하기 위해 단순화된 몬테카를로 시뮬레이션을 사용한다.
• 중앙 CMS에서의 중심 보손과 CT-PPS에서의 양성자 태깅을 위한 트리거 기반으로, 고립된 광자 또는 Z → ℓ+ℓ− 붕괴를 기반으로 한 사례 선택 기준을 적용한다.
• 동일한 번치 크로스링크에서 다른 충돌에서 유래한 양성자와 중심 보손의 무작위 동시 발생으로 인한 배경을 추정한다.
• 600–1600 GeV 범위의 mmiss 스펙트럼에 피팅을 수행하여 데이터를 배경 전용 예측과 비교함으로써 편차 여부를 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부족 질량 기법은 중심 배제 생성에서 Z 보손 또는 광자와 함께 생성된 새로운 질량이 큰 입자 X를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 CMS-TOTEM 양성자 스펙트럼계는 mmiss 재구성을 통해 600–1600 GeV의 고질량(600–1600 GeV) 배제 공명에 대해 얼마나 민감한가?
• RQ3 mmiss 스펙트럼에서 배경 전용 가설에 대해 유의미한 편차가 있는가? 이는 새로운 물리 현상을 시사하는가?
• RQ4 고질량 영역에서 pp → pp + Z/γ + X 생성에 대한 모델에 의존하지 않는 가시 단면적 상한은 무엇인가?
• RQ5 X의 붕괴 모드에 대한 가정 없이 부족 질량 방법은 새로운 물리 현상을 탐색하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 600–1600 GeV 범위에서 배경 예측을 초과하는 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 600–1600 GeV 질량 범위 전역에서 pp → pp + Z/γ + X의 가시 생산 단면적에 대한 모델에 의존하지 않는 상한을 설정하였다.
• CMS-TOTEM 정밀 양성자 스펙트럼계는 양성자 운동량에 대해 백분율 수준의 고해상도 mmiss 재구성을 가능하게 하였다.
• 배경는 동일한 번치 크로스링크에서 다른 충돌에서 유래한 중심 Z/γ 생성과 양성자 간의 피크 풀링으로 인한 사건이 지배한다.
• 정밀한 양성자 태깅을 활용한 고질량 중심 배제 생성에서 모델에 의존하지 않는 탐색의 가능성을 입증하였다.
• 결과는 DOI: 10.1140/epjc/s10052-023-11687-5를 가진 유럽물리학저널 C에 게재되었다.