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Search for a narrow resonance with a mass between 10 and 70 GeV decaying to a pair of photons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

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2026

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Report No.: CERN-EP-2026-007; CMS-HIG-24-014; arXiv:2603.03250

Abstract: The existence of a new spin-zero particle with a mass below the electroweak scale is predicted by several theoretical models. Searches for resonant production of photon pairs at the LHC are able to probe these models. We present a search for a narrow resonance produced through gluon fusion that decays into a pair of photons with an invariant mass between 10 and 70 GeV, using a proton-proton collision data set from the CMS experiment. This data set, corresponding to an integrated luminosity of 54.4 fb$^{-1}$, was recorded in 2018 at a center-of-mass energy of 13 TeV using a newly introduced diphoton trigger that enabled exploration of the low-mass diphoton spectrum. No significant excess above the expected background is observed. Upper limits are set on the product of the gluon fusion production cross section and the branching fraction of the diphoton decay of a narrow resonance. An interpretation of these limits within an effective field theory framework for axion-like particles is also provided.


Note: Submitted to Physical Review D. All figures and tables can be found at http://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/publications/HIG-24-014 (CMS Public Pages)

Contributing Institute(s):
  1. LHC/CMS Experiment (CMS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
  2. HIDSS-0002 - DASHH: Data Science in Hamburg - Helmholtz Graduate School for the Structure of Matter (2019_IVF-HIDSS-0002) (2019_IVF-HIDSS-0002)
  3. DFG project G:(GEPRIS)390833306 - EXC 2121: Das Quantisierte Universum II (390833306) (390833306)
Experiment(s):
  1. LHC: CMS

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