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Title: Measurement of the production cross section of pairs of isolated photons in pp collisions at 13 TeV with the ATLAS detector
A bstract A measurement of prompt photon-pair production in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV is presented. The data were recorded by the ATLAS detector at the LHC with an integrated luminosity of 139 fb − 1 . Events with two photons in the well-instrumented region of the detector are selected. The photons are required to be isolated and have a transverse momentum of $$ {p}_{\mathrm{T}{,}_{\gamma 1(2)}} $$ p T , γ 1 2 > 40 (30) GeV for the leading (sub-leading) photon. The differential cross sections as functions of several observables for the diphoton system are measured and compared with theoretical predictions from state-of-the-art Monte Carlo and fixed-order calculations. The QCD predictions from next-to-next-to-leading-order calculations and multi-leg merged calculations are able to describe the measured integrated and differential cross sections within uncertainties, whereas lower-order calculations show significant deviations, demonstrating that higher-order perturbative QCD corrections are crucial for this process. The resummed predictions with parton showers additionally provide an excellent description of the low transverse-momentum regime of the diphoton system.  more » « less
Award ID(s):
2111046
NSF-PAR ID:
10318269
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2021
Issue:
11
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. null (Ed.)
    Abstract The production of $$\pi ^{\pm }$$ π ± , $$\mathrm{K}^{\pm }$$ K ± , $$\mathrm{K}^{0}_{S}$$ K S 0 , $$\mathrm{K}^{*}(892)^{0}$$ K ∗ ( 892 ) 0 , $$\mathrm{p}$$ p , $$\phi (1020)$$ ϕ ( 1020 ) , $$\Lambda $$ Λ , $$\Xi ^{-}$$ Ξ - , $$\Omega ^{-}$$ Ω - , and their antiparticles was measured in inelastic proton–proton (pp) collisions at a center-of-mass energy of $$\sqrt{s}$$ s = 13 TeV at midrapidity ( $$|y|<0.5$$ | y | < 0.5 ) as a function of transverse momentum ( $$p_{\mathrm{T}}$$ p T ) using the ALICE detector at the CERN LHC. Furthermore, the single-particle $$p_{\mathrm{T}}$$ p T distributions of $$\mathrm{K}^{0}_{S}$$ K S 0 , $$\Lambda $$ Λ , and $$\overline{\Lambda }$$ Λ ¯ in inelastic pp collisions at $$\sqrt{s} = 7$$ s = 7  TeV are reported here for the first time. The $$p_{\mathrm{T}}$$ p T distributions are studied at midrapidity within the transverse momentum range $$0\le p_{\mathrm{T}}\le 20$$ 0 ≤ p T ≤ 20 GeV/ c , depending on the particle species. The $$p_{\mathrm{T}}$$ p T spectra, integrated yields, and particle yield ratios are discussed as a function of collision energy and compared with measurements at lower $$\sqrt{s}$$ s and with results from various general-purpose QCD-inspired Monte Carlo models. A hardening of the spectra at high $$p_{\mathrm{T}}$$ p T with increasing collision energy is observed, which is similar for all particle species under study. The transverse mass and $$x_{\mathrm{T}}\equiv 2p_{\mathrm{T}}/\sqrt{s}$$ x T ≡ 2 p T / s scaling properties of hadron production are also studied. As the collision energy increases from $$\sqrt{s}$$ s = 7–13 TeV, the yields of non- and single-strange hadrons normalized to the pion yields remain approximately constant as a function of $$\sqrt{s}$$ s , while ratios for multi-strange hadrons indicate enhancements. The $$p_\mathrm{{T}}$$ p T -differential cross sections of $$\pi ^{\pm }$$ π ± , $$\mathrm {K}^{\pm }$$ K ± and $$\mathrm {p}$$ p ( $$\overline{\mathrm{p}}$$ p ¯ ) are compared with next-to-leading order perturbative QCD calculations, which are found to overestimate the cross sections for $$\pi ^{\pm }$$ π ± and $$\mathrm{p}$$ p ( $$\overline{\mathrm{p}}$$ p ¯ ) at high $$p_\mathrm{{T}}$$ p T . 
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  2. A bstract A measurement of the inclusive jet production in proton-proton collisions at the LHC at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV is presented. The double-differential cross sections are measured as a function of the jet transverse momentum p T and the absolute jet rapidity |y| . The anti- k T clustering algorithm is used with distance parameter of 0.4 (0.7) in a phase space region with jet p T from 97 GeV up to 3.1 TeV and |y| < 2 . 0. Data collected with the CMS detector are used, corresponding to an integrated luminosity of 36.3 fb − 1 (33.5 fb − 1 ). The measurement is used in a comprehensive QCD analysis at next-to-next-to-leading order, which results in significant improvement in the accuracy of the parton distributions in the proton. Simultaneously, the value of the strong coupling constant at the Z boson mass is extracted as α S ( m Z ) = 0 . 1170 ± 0 . 0019. For the first time, these data are used in a standard model effective field theory analysis at next-to-leading order, where parton distributions and the QCD parameters are extracted simultaneously with imposed constraints on the Wilson coefficient c 1 of 4-quark contact interactions. 
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  3. Abstract Multijet events at large transverse momentum ( $$p_{\textrm{T}}$$ p T ) are measured at $$\sqrt{s}=13\,\text {TeV} $$ s = 13 TeV using data recorded with the CMS detector at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of $$36.3{\,\text {fb}^{-1}} $$ 36.3 fb - 1 . The multiplicity of jets with $$p_{\textrm{T}} >50\,\text {GeV} $$ p T > 50 GeV that are produced in association with a high- $$p_{\textrm{T}}$$ p T dijet system is measured in various ranges of the $$p_{\textrm{T}}$$ p T of the jet with the highest transverse momentum and as a function of the azimuthal angle difference $$\varDelta \phi _{1,2}$$ Δ ϕ 1 , 2 between the two highest $$p_{\textrm{T}}$$ p T jets in the dijet system. The differential production cross sections are measured as a function of the transverse momenta of the four highest $$p_{\textrm{T}}$$ p T jets. The measurements are compared with leading and next-to-leading order matrix element calculations supplemented with simulations of parton shower, hadronization, and multiparton interactions. In addition, the measurements are compared with next-to-leading order matrix element calculations combined with transverse-momentum dependent parton densities and transverse-momentum dependent parton shower. 
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  4. null (Ed.)
    A bstract This paper describes a measurement of light-by-light scattering based on Pb+Pb collision data recorded by the ATLAS experiment during Run 2 of the LHC. The study uses 2 . 2 nb − 1 of integrated luminosity collected in 2015 and 2018 at $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ s NN = 5 . 02 TeV. Light-by-light scattering candidates are selected in events with two photons produced exclusively, each with transverse energy $$ {E}_{\mathrm{T}}^{\gamma } $$ E T γ > 2 . 5 GeV, pseudorapidity |η γ | < 2 . 37, diphoton invariant mass m γγ > 5 GeV, and with small diphoton transverse momentum and diphoton acoplanarity. The integrated and differential fiducial cross sections are measured and compared with theoretical predictions. The diphoton invariant mass distribution is used to set limits on the production of axion-like particles. This result provides the most stringent limits to date on axion-like particle production for masses in the range 6–100 GeV. Cross sections above 2 to 70 nb are excluded at the 95% CL in that mass interval. 
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  5. null (Ed.)
    A bstract We report on the measurement of the Central Exclusive Production of charged particle pairs h + h − ( h = π, K, p ) with the STAR detector at RHIC in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 200 GeV. The charged particle pairs produced in the reaction pp → p ′ + h + h − + p ′ are reconstructed from the tracks in the central detector and identified using the specific energy loss and the time of flight method, while the forward-scattered protons are measured in the Roman Pot system. Exclusivity of the event is guaranteed by requiring the transverse momentum balance of all four final-state particles. Differential cross sections are measured as functions of observables related to the central hadronic final state and to the forward-scattered protons. They are measured in a fiducial region corresponding to the acceptance of the STAR detector and determined by the central particles’ transverse momenta and pseudorapidities as well as by the forward-scattered protons’ momenta. This fiducial region roughly corresponds to the square of the four-momentum transfers at the proton vertices in the range 0 . 04 GeV 2 < −t 1 , −t 2 < 0 . 2 GeV 2 , invariant masses of the charged particle pairs up to a few GeV and pseudorapidities of the centrally-produced hadrons in the range |η| < 0 . 7. The measured cross sections are compared to phenomenological predictions based on the Double Pomeron Exchange (DPE) model. Structures observed in the mass spectra of π + π − and K + K − pairs are consistent with the DPE model, while angular distributions of pions suggest a dominant spin-0 contribution to π + π − production. For π + π − production, the fiducial cross section is extrapolated to the Lorentz-invariant region, which allows decomposition of the invariant mass spectrum into continuum and resonant contributions. The extrapolated cross section is well described by the continuum production and at least three resonances, the f 0 (980), f 2 (1270) and f 0 (1500), with a possible small contribution from the f 0 (1370). Fits to the extrapolated differential cross section as a function of t 1 and t 2 enable extraction of the exponential slope parameters in several bins of the invariant mass of π + π − pairs. These parameters are sensitive to the size of the interaction region. 
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