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

A. Tumasyan, W. Adam+2402 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 43被引用 4

一句话总结

本研究首次在 √s = 13 TeV 的质子-质子碰撞中，利用标记的质子和高于 350 GeV 的二 photon 有效质量，对通过光-光散射产生的独态二光子过程进行了搜索。未观测到信号事件，从而首次建立了对异常四光子耦合参数的 95% 置信水平上限：在有效维度-8 标准模型拓展中，|ζ₁| < 2.9 × 10⁻¹³ GeV⁻⁴ 且 |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}$.

研究动机与目标

• 在 √s = 13 TeV 的质子-质子碰撞中，搜索通过光-光散射产生的独态二光子过程。
• 通过高二光子有效质量（>350 GeV）下的异常四光子耦合，探测标准模型之外的物理现象。
• 利用前向探测器中的标记质子，抑制强相互作用背景并识别独态过程。
• 利用 2016 年 LHC 的 9.4 fb⁻¹ 数据，首次设定维度-8 异常四光子耦合参数 ζ₁ 和 ζ₂ 的实验限制。
• 通过质子标记和二光子重建，验证 CMS 和 TOTEM 探测器对高能区独态过程的灵敏度。

提出的方法

• 利用 CMS 和 TOTEM 探测器，在 2016 年收集了 √s = 13 TeV 的质子-质子碰撞数据，总积分亮度为 9.4 fb⁻¹。
• 选择在中央 CMS 探测器中产生两个光子，且在前向 TOTEM-CT-PPS 光谱仪中探测到两个完整质子的事件。
• 通过罗马槽探测器中的跟踪站重建质子动量损失（ξ）和快度，以识别独态事件。
• 采用提升决策树进行光子识别，并应用横动量平衡判据以增强独态事件的选择效率。
• 应用触发条件，要求每个光子的 pT > 60 GeV，且 HCAL/ECAL 能量沉积比 < 0.15，以抑制强子背景。
• 通过有效维度-8 拉格朗日量建模异常四光子相互作用：Lγγγγ⁸ = ζ₁FμνFμνFρσFρσ + ζ₂FμνFμρFρσFσν。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 √s = 13 TeV 的 pp 碰撞中，是否能在高二光子有效质量（>350 GeV）下观测到通过光-光散射产生的独态二光子过程？
• RQ2 在有效维度-8 标准模型拓展中，异常四光子耦合参数 ζ₁ 和 ζ₂ 的首个实验限制是什么？
• RQ3 前向探测器中使用的标记质子在高能区独态二光子搜索中，能在多大程度上抑制强相互作用背景？
• RQ4 CMS-TOTEM 系统在高能区对包含两个光子和两个完整质子的独态过程具有多高的灵敏度？
• RQ5 在高能区未观测到信号事件，是否意味着存在新物理的约束，还是与标准模型预测一致？

主要发现

• 未观测到满足独态二光子条件（包括完整质子和二光子有效质量高于 350 GeV）的事件。
• 由于未观测到信号事件，得以建立异常四光子耦合参数的 95% 置信水平上限：|ζ₁| < 2.9 × 10⁻¹³ GeV⁻⁴ 且 |ζ₂| < 6.0 × 10⁻¹³ GeV⁻⁴。
• 在假设其中一个耦合参数固定为其标准模型值的条件下推导出这些限制，从而增强了灵敏度。
• 该分析证明了利用当前探测器能力在 LHC 上通过质子标记实现高能区独态二光子搜索的可行性。
• 结果代表了高能区首次直接限制维度-8 四光子耦合，扩展了光-光散射搜索的探测范围。
• 该研究证实了质子标记技术在抑制 QCD 背景和实现独态过程清晰识别方面的稳健性。