[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究在 √s = 13 TeV 的质子-质子碰撞中，利用 CMS 和 TOTEM 精密质子谱仪测量的标记质子，通过光子-光子融合寻找高质质量的单独双光子产生过程。观测到一个单独双光子候选事例，由此得出对异常四光子耦合的 95% 置信水平上限为 |ζ1| < 0.073 TeV⁻⁴ 和 |ζ2| < 0.15 TeV⁻⁴，同时在 500–2000 GeV 质量范围内对轴子样粒子耦合设定了上限。

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.

研究动机与目标

• 通过质子-质子碰撞中的高质质量单独双光子产生过程，探测标准模型之外的新物理。
• 利用有效场论方法，在多 TeV 能标下检验异常四玻色子耦合（aQGC）的存在。
• 通过轴子样粒子（ALPs）衰变为两个光子，在单独事例中搜索轴子样粒子。
• 通过 CMS 实验中精密质子谱仪（PPS）标记完整质子，提高灵敏度。
• 利用 2016–2018 年间采集的 103 fb⁻¹ 积分亮度数据，对新物理设定严格限制。

提出的方法

• 利用 CMS 和 TOTEM 在 √s = 13 TeV 下采集的 103 fb⁻¹ 质子-质子碰撞数据。
• 采用双层触发系统，结合硬件触发与高级触发，筛选出横动量较高（pT > 100 GeV）的光子事例。
• 施加运动学要求：光子在方位角上呈背对背分布，且双光子不变质量较大（mγγ > 350 GeV）。
• 要求 PPS 探测器中检测到标记质子，其能量损失分数在 0.035 至 0.15（负向）或 0.18（正向）之间，且与双光子系统的快度相匹配。
• 采用包含八维算符的有效场论拉格朗日量：L4γ = ζ1FμνFμνFρσFρσ + ζ2FμνFνρFρλFλμ，以描述异常四光子相互作用。
• 通过改进的光子识别、前向质子重建和背景估计技术，提升探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在质子-质子碰撞中，利用标记质子能否在高不变质量下观测到通过光子融合产生的单独双光子过程？
• RQ2 在 95% 置信水平下，异常四光子耦合参数 ζ1 和 ζ2 的上限是多少？
• RQ3 在 500–2000 GeV 质量范围内，对光子耦合的轴子样粒子产生可施加何种约束？
• RQ4 与包容性搜索相比，引入标记质子如何提升对单独双光子事例的探测灵敏度？
• RQ5 观测数据在单独双光子通道中与预期背景的偏离程度如何？

主要发现

• 观测到一个单独双光子候选事例，而预期背景为 1.1 个事例。
• 对异常四光子耦合的 95% 置信水平上限为 |ζ1| < 0.073 TeV⁻⁴ 和 |ζ2| < 0.15 TeV⁻⁴。
• 在 500–2000 GeV 质量范围内，推导出轴子样粒子耦合强度 f⁻¹ 的上限，范围从 0.03 TeV⁻¹ 到 1 TeV⁻¹。
• 由于亮度提升超过十倍，且重建与背景估计技术得到增强，本分析相比以往结果实现了更高的灵敏度。
• 该结果是目前 LHC 上在单独双光子通道中对四光子异常耦合和轴子样粒子产生所设定的最严格限制。
• 本研究证明了利用标记质子探测具有较低背景和更高信号纯度的单独过程的可行性。