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This content will become publicly available on August 1, 2026

Title: Measurement of light-by-light scattering and the Breit-Wheeler process, and search for axion-like particles in ultraperipheral PbPb collisions at $$\sqrt{{s}_{\text{NN}}}$$ = 5.02 TeV
A<sc>bstract</sc> Measurements of light-by-light scattering (LbL,γγ → γγ) and the Breit-Wheeler process (BW,γγ →e+e) are reported in ultraperipheral PbPb collisions at a centre-of-mass energy per nucleon pair of 5.02 TeV. The data sample, corresponding to an integrated luminosity of 1.7 nb−1, was collected by the CMS experiment at the CERN LHC in 2018. Events with an exclusively producedγγore+epair with invariant massesmγγ,ee>5 GeV, along with other fiducial criteria, are selected. The measured BW fiducial production cross section,σfid(γγ → e+e) = 263.5±1.8(stat)±17.8(syst)μb, as well as the differential distributions for various kinematic observables, are in agreement with leading-order quantum electrodynamics predictions complemented with final-state photon radiation. The measured differential BW cross sections allow discrimination between different theoretical descriptions of the photon flux of the lead ion. In the LbL final state, 26 exclusive diphoton candidate events are observed compared with 12.0 ± 2.9 expected for the background. Combined with previous results, the observed significance of the LbL signal with respect to the background-only hypothesis is above five standard deviations. The measured fiducial LbL scattering cross section,σfid(γγ→γγ) = 107 ± 24(stat) ± 13(syst) nb, is in agreement with next- to-leading-order predictions. Limits on the production of axion-like particles coupled to photons are set over the mass range 5–100 GeV, including the most stringent limits to date in the range of 5–10 GeV.  more » « less
Award ID(s):
2209553 2121686
PAR ID:
10630226
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Journal of High Energy Physics
Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2025
Issue:
8
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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