[论文解读] 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)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文利用CMS与TOTEM的精密质子谱仪，采用缺失质量技术，在LHC的中心簇射产生过程中开展了一项与模型无关的新物理搜索。通过在带有标记质子和Z玻色子或光子的事件中，利用能量-动量守恒重建未探测粒子X的不变质量，该分析在600–1600 GeV范围内设定了pp → pp + Z/γ + X可见截面的上限，未发现与背景预测存在显著偏离。

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.

研究动机与目标

• 通过使用与模型无关的方法，在质子-质子碰撞中利用中心簇射产生搜索新物理。
• 应用缺失质量技术探测与Z玻色子或光子关联产生的假设性重粒子X。
• 利用CMS-TOTEM精密质子谱仪（CT-PPS）对质子动量进行精确测量，实现高分辨率的运动学重建。
• 在600–1600 GeV质量范围内，为pp → pp + Z/γ + X的可见产生截面设定与模型无关的上限。
• 检验缺失质量方法在高能、唯一末态中探测新物理的可行性。

提出的方法

• 利用中心簇射产生事件，其中两个质子在交换无色粒子后保持完整，由CT-PPS探测。
• 通过中央Z/γ玻色子和前向质子的四momenta，利用缺失质量mmiss = mX推断未探测粒子X的质量。
• 采用简化的蒙特卡洛模拟，假设窄宽度和唯一末态，对质量较大的粒子X与Z玻色子或光子的唯一产生进行建模。
• 基于孤立光子或Z → ℓ+ℓ−衰变的事件选择标准，结合中央CMS触发和CT-PPS中的质子标记。
• 估算背景来自同一 train 交叉中其他碰撞产生的质子与中央玻色子的随机巧合。
• 在600–1600 GeV范围内对mmiss谱进行拟合，将数据与仅含背景的预测进行比较，以搜索偏离。

实验结果

研究问题

• RQ1 缺失质量技术能否在中心簇射产生中探测到与Z玻色子或光子关联产生的新重粒子X？
• RQ2 CMS-TOTEM质子谱仪在通过mmiss重建方面对600–1600 GeV高能唯一共振的灵敏度如何？
• RQ3 在mmiss谱中是否存在与仅含背景假设显著偏离的情况，表明存在新物理？
• RQ4 在高能区，pp → pp + Z/γ + X产生的可见截面的与模型无关的上限是什么？
• RQ5 在不假设X的衰变模式的情况下，缺失质量方法在探测新物理方面的有效性如何？

主要发现

• 在600–1600 GeV范围内，缺失质量谱中未观测到超过背景预测的显著过量。
• 该分析在600–1600 GeV质量范围内为pp → pp + Z/γ + X的可见产生截面设定了与模型无关的上限。
• CMS-TOTEM精密质子谱仪实现了质子动量在百分之一量级的高分辨率mmiss重建。
• 背景主要来自堆叠事件，即同一train交叉中其他碰撞产生的中央Z/γ与质子的巧合。
• 该方法证明了在精确质子标记下，对高能中心簇射产生中无模型假设搜索新物理的可行性。
• 结果发表于《欧洲物理杂志C》（European Physical Journal C），DOI: 10.1140/epjc/s10052-023-11687-5。