Measurement of the production cross section of pairs of isolated photons in pp collisions at 13 TeV with the ATLAS detector

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.

Automated EW corrections with isolated photons: t$$ \overline{t} $$γ, t$$ \overline{t} $$γγ and tγj as case studies

In this work we compute for the first time the so-called Complete-NLO predictions for top-quark pair hadroproduction in association with at least one isolated photon (t$$ \overline{t} $$ t ¯ γ). We also compute NLO QCD+EW predictions for the similar case with at least two isolated photons (t$$ \overline{t} $$ t ¯ γγ) and for single-top hadroproduction in association with at least one isolated photon. In addition, we complement our results with NLO QCD+EW predictions of the hadronic and leptonic decays of top-quark including an isolated photon. All these results have been obtained in a completely automated approach, by extending the capabilities of the MadGraph5_aMC@NLO framework and enabling the Complete-NLO predictions for processes with isolated photons in the final state. We discuss the technical details of the implementation, which involves a mixed EW renormalisation scheme for such processes.

Measurement of isolated photons in pp collisions at √s = 7 TeV with ALICE

Teilchenkollisionen erlauben einen Einblick in den Aufbau der Materie und in die Interaktion ihrer Konstituenten. Darüber hinaus ermöglichen sie, auch die Vorgänge bei der Entstehung des Universums besser zu verstehen. Um diese vielfältigen Wissensgebiete abzudecken, ist es nötig, verschiedene Observablen und Kollisionssysteme zu untersuchen. Dabei besteht eine besondere Herausforderung darin, für eine theoretisch aussagekräftige Variable eine passende messbare Observable zu finden und unter Berücksichtigung des Experiments einen Messprozess zu entwickeln. Die im Rahmen dieser Arbeit bearbeiteten Analysen von Teilchenkollisionen decken viele der genannten Herausforderungen und Zielsetzungen ab. Den Schwerpunkt der Arbeit stellt die Analyse isolierter Photonen bei einer Energie von √s = 7 TeV da. Darüber hinaus beinhaltet die Arbeit auch noch Messungen des mittleren Transversalimpulses geladener Teilchen in Pb–Pb Kollisionen bei einer Energie von √s = 2.76 TeV. Abgesehen vom Kollisionssystem komplementieren sich die beiden Analysen in weiteren Punkten. Die Messung isolierter Photonen stellt die erstmalige Messung dieser Observable mit ALICE da und legt somit die Grundlage für weitere Messungen bei anderen Kollisionssystemen und -energien. Die Messung des mittleren Transversalimpulses beruht dagegen auf einer etablierten Messung und ermöglich somit den Vergleich verschiedener Kollisionssysteme. Ebenso unterscheiden sich die untersuchten physikalischen Prozesse. Mit der Messung isolierter Photonen lassen sich harte Streuprozesse in den Kollisionen untersuchen, während der mittlere Transversalimpuls eine Beschreibung der zugrunde liegenden Kollision ermöglicht. Bei der Messung isolierter Photonen ist zu beachten, dass es sich bei isolierten Photonen um eine messbare Observable handelt, die keinem expliziten physikalischen Prozess zugeordnet werden kann. Das im Rahmen der Analyse verwendete Isolationskriterium dient dazu den Anteil prompter Photonen aus 2→2 Prozessen zu erhöhen. Diese Photonen können zum besseren Verständnis der Partondichtefunktion (PDF) von Gluonen beitragen, wie auch als Referenz für störungstheoretische QCD Rechnungen genutzt werden. Für die Analyse von besonderer Bedeutung ist dabei die Clusterform und die Energie in einem gewissen Radius um das potenzielle Photon. Die Kombination der beiden Messgrößen erlaubt es den Untergrund mithilfe der von CDF und ATLAS etablierten ABCD Methode zu bestimmen. Das auf diese Weise gewonnene Ergebnis erweitert die bisherigen Messungen des Wechselwirkungsquerschnitts isolierter Photonen am LHC zu niedrigeren Transversalimpulsen. Ebenso werden die bisherigen Messungen des Wechselwirkungsquerschnitts in Abhängigkeit der Skalenvariable xT zu niedrigeren Werten erweitert. Das Hauptaugenmerk der Messung des mittleren Transversalimpulses geladener Teilchen ⟨pT⟩ liegt im Vergleich der Messung für die Kollisionssyteme pp, p-Pb, und Pb-Pb. Um einen direkten Vergleich zwischen den unterschiedlichen Kollisionssystemen zu erhalten, wird ⟨pT ⟩ gegen die wahre Multiplizität nch gemessen. Da der Multiplizitätsbereich von pp und p-Pb Kollisionen limitiert ist, wird die Analyse in Pb–Pb Kollisionen auf nch = 100 begrenzt. Dieser Bereich entspricht peripheren Pb–Pb Kollisionen. Ein besonderer Fokus der Analyse liegt auf der Bestimmung und Reduktion des elektromagnetischen Hintergrundes in peripheren Pb–Pb Kollisionen und der Bestimmung von nch auf Basis der gemessenen Multiplizität nacc . Die unterschiedlichen Kollisionssysteme zeigen ein ähnliches Verhalten mit steigender Multiplizität. Der steilste Anstieg findet bei niedrigen Multiplizitäten statt und ändert sich für alle Kollisionssysteme bei nch = 14. Mit höheren Multiplizitäten reduziert sich die Steigung weiter, wobei der Effekt bei Pb–Pb Kollisionen am stärksten ausgeprägt ist.

Measurement of the inclusive isolated photon production cross section in $$\text{ p }\text{ p }$$ collisions at $$\sqrt{s}=7$$ TeV

The production cross section of inclusive isolated photons has been measured by the ALICE experiment at the CERN LHC in pp collisions at a centre-of-momentum energy of $$\sqrt{s}=$$s= 7 TeV. The measurement is performed with the electromagnetic calorimeter EMCal and the central tracking detectors, covering a range of $$|\eta |<0.27$$|η|<0.27 in pseudorapidity and a transverse momentum range of $$ 10< p_\mathrm {T}^{\gamma }< 60~\mathrm {GeV}/c$$10<pTγ<60GeV/c. The result extends the $$p_\mathrm {T}$$pT coverage of previously published results of the ATLAS and CMS experiments at the same collision energy to smaller $$p_\mathrm {T}$$pT. The measurement is compared to next-to-leading order perturbative QCD calculations and to the results from the ATLAS and CMS experiments. All measurements and theory predictions are in agreement with each other.

Analysis of Isolated Photons in Photoproduction in PYTHIA

Collision of particles at high energies at accelerators is the main source of data used to obtain deeper understanding of the fundamental interactions and the structure of the matter. Processes of isolated photon production have provided many tests of theoretical descriptions of the universe on scales smaller than the proton. This work is dedicated to the analysis of the large amount of collision data that has been accumulated at ZEUS in 2004-2007 period and new methods of processing isolated photons that have been proposed. The authors develop software algorithms that allow obtaining the signal of isolated photons from the data collected on the ZEUS detector at electron-proton collider HERA, calculating the differential cross sections, and comparing the measured data with PYTHIA Monte Carlo predictions. Taking into account the features of the ZEUS detector, the photon signal is separated from the background events and the number of isolated photons is calculated. Computational mathematical and numerical methods have been used to simulate the interaction of particles in the detector. Monte Carlo predictions for differential cross sections as functions of the pseudorapidity and transverse energy of the photon ηg, ETg and the jet ηjet, ETjet, and the fraction of the photon momentum хgmeas carried by the interacting parton have been calculated and compared with the experimental data. The results of the study are compared with the previous studies and show for the first time that all isolated photon HERA measurements are consistent with each other. New results show improved uncertainties. The formation of isolated inclusive photons and photons with the accompanying jet was measured in photoproduction with ZEUS detector at HERA collider using the integrated luminosity of 374 ± 7 pb-1. For the first time, more complex Monte-Carlo simulation models of isolated photons for ZEUS detector were generated and applied, and the description of the photon signal was improved. It has been found that PYTHIA describes the shape of the cross section as a function of ηg well enough, but does not fully reproduce the shape of ETg, ETjet, and the middle region of хgmeas, while ηjet is described not very well. The reason for this discrepancy can be the lack of corrections of higher orders in the predictions for cross sections of direct photons. Scaling of the cross sections obtained with PYTHIA improves the description of ETg and ηg. The unsatisfactory description of ηjet indicates that further studies are required.

Latest results on diffraction at HERA

Recent results on diffraction from the H1 and ZEUS experiments at HERA are presented. Measurement of open charm production in diffractive DIS has been performed by the H1 experiment using the event topology, given by ep → eXY, where the system X, containing at least one D*(2010) meson, is separated from a leading low-mass proton dissociative system Y by a large rapidity gap. The photoproduction of isolated photons is measured using diffractive events recorded by the ZEUS experiment. Cross sections are evaluated in the photon transverse-energy and pseudorapidity ranges 5 < EγT < 15 GeV and -0:7 < ηγ < 0:9, inclusively and with a jet with transverse-energy and pseudorapidity in the ranges 4 < EjetT < 35 GeV and -1:5 < ηjet < 1:8. The exclusive deep inelastic electroproduction and photoproduction of Ψ(2S ) and J=Ψ(1S) mesons has been also studied by ZEUS. The cross-section ratio σ(Ψ(2S))=σ(J=Ψ(1S)) has been measured as a function of Q2, W and t. The results are compared to several predictions of QCD-inspired models, providing tests of the models in a region of soft to hard diffraction.