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U.S. Department of Energy
Office of Scientific and Technical Information

First Search for Exclusive Diphoton Production at High Mass with Tagged Protons in Proton-Proton Collisions at $$\sqrt{s} = 13$$

Journal Article · · Physical Review Letters
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A search for exclusive two-photon production via photon exchange in proton-proton collisions, pp $$\to$$ 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 $$\lvert\zeta_1\rvert$$ $$\lt$$ 2.9 $$\times$$ 10$$^{-13}$$ GeV$$^{-4}$$ and $$\lvert\zeta_2\rvert$$ $$\lt$$ 6.0 $$\times$$ 10$$^{-13}$$ GeV$$^{-4}$$.
Research Organization:
Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL), Batavia, IL (United States); Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Livermore, CA (United States); SLAC National Accelerator Laboratory (SLAC), Menlo Park, CA (United States)
Sponsoring Organization:
USDOE Office of Science (SC), Basic Energy Sciences (BES); USDOE Office of Science (SC), High Energy Physics (HEP)
Contributing Organization:
CMS Collaboration; TOTEM Collaboration
Grant/Contract Number:
AC02-07CH11359; AC02-76SF00515
OSTI ID:
1831885
Alternate ID(s):
OSTI ID: 1879838
Report Number(s):
CERN-EP-2021-191; CMS-EXO-18-014; FERMILAB-PUB-21-520-CMS; TOTEM-2021-002; arXiv:2110.05916; oai:inspirehep.net:1942141
Journal Information:
Physical Review Letters, Journal Name: Physical Review Letters Journal Issue: 1 Vol. 129; ISSN 0031-9007
Publisher:
American Physical Society (APS)Copyright Statement
Country of Publication:
United States
Language:
English

References (41)

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The automated computation of tree-level and next-to-leading order differential cross sections, and their matching to parton shower simulations journal July 2014
Observation of proton-tagged, central (semi)exclusive production of high-mass lepton pairs in pp collisions at 13 TeV with the CMS-TOTEM precision proton spectrometer journal July 2018
Evidence for exclusive γγ → W + W − production and constraints on anomalous quartic gauge couplings in pp collisions at s = 7 $$ \sqrt{s}=7 $$ and 8 TeV journal August 2016
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Geant4—a simulation toolkit
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  • Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol. 506, Issue 3 https://doi.org/10.1016/S0168-9002(03)01368-8
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Confidence level computation for combining searches with small statistics journal September 1999
An introduction to PYTHIA 8.2 journal June 2015
Search for high-mass diphoton resonances in proton–proton collisions at 13 TeV and combination with 8 TeV search journal April 2017
Evidence for light-by-light scattering and searches for axion-like particles in ultraperipheral PbPb collisions at s NN = 5.02 TeV journal October 2019
The physics of ultraperipheral collisions at the LHC journal March 2008
Evidence for light-by-light scattering in heavy-ion collisions with the ATLAS detector at the LHC journal August 2017
Presentation of search results: the CL s technique journal September 2002
Probe of unparticles at the LHC in exclusive two lepton and two photon production via photon-photon fusion journal September 2009
Performance of photon reconstruction and identification with the CMS detector in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$= 8 TeV journal August 2015
The CMS trigger system journal January 2017
Electron and photon reconstruction and identification with the CMS experiment at the CERN LHC journal May 2021
The CMS experiment at the CERN LHC journal August 2008
Final report of the E821 muon anomalous magnetic moment measurement at BNL journal April 2006
Limits on low energy photon-photon scattering from an experiment on magnetic vacuum birefringence journal August 2008
Measurement of Delbrück Scattering and Observation of Photon Splitting at High Energies journal December 1973
Anomalous quartic W W γ γ , Z Z γ γ , and trilinear W W γ couplings in two-photon processes at high luminosity at the LHC journal April 2010
Probing quartic neutral gauge boson couplings using diffractive photon fusion at the LHC journal January 2012
Probing new physics in diphoton production with proton tagging at the Large Hadron Collider journal June 2014
Measurement of exclusive γ γ → W + W − production and search for exclusive Higgs boson production in p p collisions at s = 8     TeV using the ATLAS detector journal August 2016
Observing Light-by-Light Scattering at the Large Hadron Collider journal August 2013
Erratum: Observing Light-by-Light Scattering at the Large Hadron Collider [Phys. Rev. Lett. 111 , 080405 (2013)] journal March 2016
Observation of Light-by-Light Scattering in Ultraperipheral Pb + Pb Collisions with the ATLAS Detector journal July 2019
Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm journal April 2021
New high-precision comparison of electron and positron g factors journal July 1987
Splitting of a high-energy photon in a strong Coulomb field journal December 1997
Asymptotic formulae for likelihood-based tests of new physics journal February 2011
Erratum to: Asymptotic formulae for likelihood-based tests of new physics journal July 2013
Large extra dimension effects through light-by-light scattering at the CERN LHC journal August 2014
Exclusive physics at the LHC with SuperChic 2 journal January 2016
The photon PDF in events with rapidity gaps journal May 2016
Precision luminosity measurement in proton–proton collisions at $$\sqrt{s} = 13\,\hbox {TeV}$$ in 2015 and 2016 at CMS journal September 2021
Looking for magnetic monopoles at LHC with diphoton events journal May 2012