[논문 리뷰] First Search for Exclusive Diphoton Production at High Mass with Tagged Protons in Proton-Proton Collisions at √ s = 13 TeV

A. Tumasyan, W. Adam외 2402명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 43인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 빛-빛 산란을 통한 배제적 이광자 생성을 처음으로 탐색하며, 태깅된 양성자와 350 GeV 이상의 이광자 진동 질량을 사용한다. 신호 사건이 관측되지 않아, 효과적 차원-8 표준모형 확장에서 비정상적인 4광자 결합 매개변수에 대한 최초의 95% 신뢰수준 한계를 도출하였다: |ζ₁| < 2.9 × 10⁻¹³ GeV⁻⁴ 및 |ζ₂| < 6.0 × 10⁻¹³ GeV⁻⁴.

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}$.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 빛-빛 산란을 통한 배제적 이광자 생성을 탐색하기 위해.
• 고이광자 진동 질량 (>350 GeV)에서의 비정상적인 4광자 결합을 통해 표준모형을 초월한 물리학을 탐구하기 위해.
• 강한 상호작용 배경을 억제하고 배제적 과정를 식별하기 위해 매우 전방 탐지기에서 태깅된 양성자를 활용하기 위해.
• 2016년 LHC 데이터 9.4 fb⁻¹를 사용하여 차원-8 비정상적인 4광자 결합 매개변수 ζ₁ 및 ζ₂에 대한 최초의 실험적 한계를 설정하기 위해.
• 양성자 태깅 및 이광자 재구성 기반으로 CMS 및 TOTEM 탐지기의 고질량 배제적 과정에 대한 민감도를 검증하기 위해.

제안 방법

• 2016년 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌 데이터 9.4 fb⁻¹를 CMS 및 TOTEM 탐지기로 수집하였다.
• 중앙 CMS 탐지기에서 두 개의 광자를 포함하고, 전방 TOTEM-CT-PPS 스펙트로미터에서 두 개의 그대로인 양성자를 탐지한 사건을 선별하였다.
• 로만 포트 탐지기의 트래킹 스테이션에서 유도된 양성자 운동량 손실(ξ)과 빠르기(rapidity)를 재구성하여 배제적 사건을 식별하였다.
• 광자 식별을 위해 부스팅된 决定트리(Boosted Decision Tree)를 사용하고, 배제적 사건 선택을 향상시키기 위해 횡방향 운동량 균형 조건을 적용하였다.
• 핵자기배경을 억제하기 위해, 각 광자에 대해 pT > 60 GeV 및 HCAL/ECAL 에너지 손실 비율 < 0.15 조건을 적용한 트리거를 사용하였다.
• 비정상적인 4광자 상호작용을 효과적 차원-8 라그랑지안으로 모델링하였다: Lγγγγ⁸ = ζ₁FμνFμνFρσFρσ + ζ₂FμνFμρFρσFσν.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 고이광자 진동 질량 (>350 GeV)에서 빛-빛 산란을 통한 배제적 이광자 생성이 관측될 수 있는가?
• RQ2 효과적 차원-8 표준모형 확장에서 비정상적인 4광자 결합 매개변수 ζ₁ 및 ζ₂에 대한 최초의 실험적 한계는 무엇인가?
• RQ3 전방 탐지기에서 태깅된 양성자가 고질량 배제적 이광자 탐색에서 강한 상호작용 배경을 얼마나 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ4 CMS-TOTEM 시스템은 고에너지에서 두 개의 광자와 두 개의 그대로인 양성자를 포함한 배제적 과정에 대해 얼마나 민감한가?
• RQ5 고질량에서 신호 사건의 부재는 새로운 물리학에 대한 제약 조건을 시사하는가, 아니면 표준모형 예측과의 일치를 시사하는가?

주요 결과

• 350 GeV 이상의 이광자 진동 질량과 함께 그대로인 양성자를 포함한 배제적 이광자 조건을 만족하는 사건이 관측되지 않았다.
• 신호 사건의 부재는 비정상적인 4광자 결합 매개변수에 대한 95% 신뢰수준 상한을 설정할 수 있게 하였다: |ζ₁| < 2.9 × 10⁻¹³ GeV⁻⁴ 및 |ζ₂| < 6.0 × 10⁻¹³ GeV⁻⁴.
• 한 매개변수를 표준모형 값으로 고정하는 가정 하에 민감도를 향상시켜 한계를 도출하였다.
• 이 분석은 현재의 탐지기 능력으로 LHC에서 양성자 태깅을 활용한 고질량 배제적 이광자 탐색의 가능성을 입증하였다.
• 결과는 고질량 영역에서 차원-8 4광자 결합에 대한 최초의 직접 한계를 제공하며, 빛-빛 산란 탐색의 영역을 확장하였다.
• 이 연구는 QCD 배경 억제에 있어 양성자 태깅 기술의 강력함을 확인하였고, 배제적 과정의 청결한 식별을 가능하게 하였다.