Search for anomalous production of high energy photon events with the CMS detector at the LHC and prospects for HL-LHC

Although the Standard Model of particle physics (SM) describes with extreme success the fundamental interactions of matter it does not provide a solution for open questions of modern physics. The nature of cosmological dark matter, a quantum description of gravity and the hierarchy problem cannot included in the framework of the SM. For this reason several extensions have been proposed throughout the years to address these open problems. The beyond the standard model (BSM) frameworks often predict the existence of additional particles, either arising from additional symmetries introduced by the model or by the inclusion of gravity. Part of the parameter space of these models can be covered by experiments at LHC, since the predicted particles can have masses in the TeV range. The diphoton resonant production is sensitive to spin-0 and spin-2 BSM resonances. These can be originated by wrapped extra dimensions or extension of the Higgs sector which are typically included in BSM models. The excellent energy resolution achieved with the CMS electromagnetic calorimeter (ECAL) and the clean signature of the dipho- ton events makes this channel very attractive as a tool for the search of exotic resonances. The sensitivity of the search in the diphoton channel is subordinated to the ECAL energy resolution and the precision on the location of the interaction vertex. The search pre- sented in this work has been conducted on data collected by the CMS experiment at LHC with proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV, for a total integrated luminosity of 35.9fb −1 . No significant deviation from the Standard Model prediction has been highlighted by the analysis, thus exclusion limits on the graviton production cross- section have been established in the context of the Randall-Sundrum extra dimensions model. The limits varies between 6 fb and 0.1 fb depending on the mass and coupling of the resonance in the 0.5 < m < 4.5 TeV and 0.01 < κ < 0.2 ranges. The LHC program foresees an high luminosity phase starting from 2026 (HL-LHC), during which the instantaneous luminosity will reach the record value of 7.5×10 34 cm −2 s −1 , five times the current one. On one hand higher instantaneous luminosity will bring benefits to the physics analysis by providing a dataset 10 times larger than what will be available during the LHC phase but, on the other hand will pose severe challenges to the event reconstruction given the high number of overlapping collisions. CMS is already planning various actions and detector upgrades to match the physics goal of HL-LHC. Among those the introduction of time into the event reconstruction will require the installation of a completely new detector. Technologies suitable for the measurement of charged particles time with a precision of 30 ps have been identified through a series of tests with particles beam. In the same tests the intrinsic time resolution of the ECAL has been proved to be better than 20 ps for electrons and photons of at least 25 GeV. The R&D campaign has been coupled to simulation studies to quantify the expected gain in performance provided by a time-aware event reconstruction. The simulation studies show a general improvement for observable of interest for the HL-LHC physics program.

Sebbene lo Standard Model (SM) descriva con grande successo le interazioni fondamentali della materia, esso non fornisce la risposta a diverse domande ancora aperte nella fisica fondamentale tra cui la natura della materia oscura, il problema della gerarchia delle interazioni fondamentali e non fornisce un modello quantistico della gravitazione. Per questo motivo diversi modelli mirano a completare lo SM (modelli con extra dimensioni, modelli super-simmetrici, ...). Denominatore comune di questi modelli (denominati generalmente BSM) è la predizione dell'esistenza di nuove particelle di massa dell'ordine di 1 TeV. La ricerca di produzione di risonante di bosoni o fermioni nelle collisioni protone-protone a LHC è una verifica diretta di questi modelli. La produzione risonante di coppie di fotoni può sondare l'esistenza di bosoni di spin-0, spin-2. L'eccellente risoluzione che è possibile raggiungere sulla misura della massa invariante dei due fotoni, e la segnatura peculiare del processo, permettono di cercare un picco di segnale nello spettro di massa continuo prodotto da processi descritti dallo SM. La risoluzione sulla massa invariante del sistema dei due fotoni è determinata da due fattori: la risoluzione energetica sui singoli fotoni e l'efficienza nella ricostruzione del corretto vertice di interazione da cui originano i fotoni. La ricerca è stata condotta sui dati raccolti in collisioni protone-protone a 13 TeV effettuate da LHC durante il 2016 (luminosità integrata pari a 35.9fb$^{-1}$). L'aumento dell'energia disponibile nel centro di massa della collisione ha permesso di esplorare una regione dello spettro più ampia di quella analizzata nelle ricerca in collisioni a 8TeV raccolti nel periodo 2011-2012. I risultati ottenuti non hanno evidenziato nessuna deviazione rispetto alla previsione del SM. Sono stati quindi fissati dei limiti di esclusione sulle sezioni d'urto per la produzione di gravitoni del tipo previsto dai modelli Randall-Sudrum I limiti variano tra tra 10fb e 1fb a seconda della massa prevista nell'intervallo $0.5 \mbox{TeV} < m < 4 \mbox{TeV}$. I risultati sono compatibili con le osservazioni dell'esperimento ATLAS. Il programma di LHC prevede una fase ad alta luminosità che inizierà nel 2026 durante la quale il complesso di acceleratori del CERN verrà migliorato fino a raggiungere una luminosità istantanea di $7.5\times10^{34}\mbox{cm}^{-2}\mbox{s}^{-1}$, cinque volte maggiore rispetto a quella raggiunta attualmente. A questo rinnovamento degli acceleratori sarà associata una revisione degli esperimenti che prevede il miglioramento dei rivelatori già esistenti e l'installazione di nuovi. Ai benefici indotti dall'aumento del numero di eventi disponibili per le analisi si oppone un generale degredamento della ricostruzione a causa dell'alto numero di collisioni che avverranno simultaneamente. Per mitigare questo fenomeno e per massimizzare l'accettanza ai canali di interesse per le misure di fisica CMS sta programmando un serie di interventi al rivelatore. Tra questi l'introduzione della misura di tempo nella ricostruzione richiede la costruzione ed installazione di un rivelatore di particelle cariche con risoluzione termporale di 30~ps. La tecnologia grazie ad una serie di test condotti con fasci di particelle in cui è stato anche dimostrato che l'attuale calorimetro elettromagnetico di CMS, con un opportuno miglioramento dell'elettronica di lettura, può raggiungere una risoluzione di 30~ps per energie maggiori di 20~GeV. Lo studio per la definizione del rivelatore è accompagnato da studi di simulazione volti a evidenziare il guadagno indotto dall'uso del tempo nella ricostruzione degli eventi. Questi studi hanno dimostrato un generale miglioramento nell'efficienza di ricostruzione di osservabili di interesse per la fisica che verrà esplorata nella fase ad alta luminosità.