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Title: Differential cross-section measurements for the electroweak production of dijets in association with a Z boson in proton–proton collisions at ATLAS
Abstract Differential cross-section measurements are presented for the electroweak production of two jets in association with a Z boson. These measurements are sensitive to the vector-boson fusion production mechanism and provide a fundamental test of the gauge structure of the Standard Model. The analysis is performed using proton–proton collision data collected by ATLAS at $$\sqrt{s}=13\ \hbox {TeV}$$ s = 13 TeV and with an integrated luminosity of $$139\ \hbox {fb}^{-1}$$ 139 fb - 1 . The differential cross-sections are measured in the $$Z\rightarrow \ell ^+\ell ^-$$ Z → ℓ + ℓ - decay channel ( $$\ell =e,\mu $$ ℓ = e , μ ) as a function of four observables: the dijet invariant mass, the rapidity interval spanned by the two jets, the signed azimuthal angle between the two jets, and the transverse momentum of the dilepton pair. The data are corrected for the effects of detector inefficiency and resolution and are sufficiently precise to distinguish between different state-of-the-art theoretical predictions calculated using Powheg+Pythia8 , Herwig7+Vbfnlo and Sherpa  2.2. The differential cross-sections are used to search for anomalous weak-boson self-interactions using a dimension-six effective field theory. The measurement of the signed azimuthal angle between the two jets is found to be particularly sensitive to the interference between the Standard Model and dimension-six scattering amplitudes and provides a direct test of charge-conjugation and parity invariance in the weak-boson self-interactions.  more » « less
Award ID(s):
1812377
PAR ID:
10227231
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
81
Issue:
2
ISSN:
1434-6044
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. null (Ed.)
    Abstract Inclusive and differential fiducial cross sections of the Higgs boson are measured in the $$H \rightarrow ZZ^{*} \rightarrow 4\ell $$ H → Z Z ∗ → 4 ℓ ( $$\ell = e,\mu $$ ℓ = e , μ ) decay channel. The results are based on proton-proton collision data produced at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of 13 TeV and recorded by the ATLAS detector from 2015 to 2018, equivalent to an integrated luminosity of 139  $$\hbox {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The inclusive fiducial cross section for the $$H \rightarrow ZZ^{*} \rightarrow 4\ell $$ H → Z Z ∗ → 4 ℓ process is measured to be $$\sigma _\mathrm {fid} = 3.28 \,{\pm }\, 0.32$$ σ fid = 3.28 ± 0.32  fb, in agreement with the Standard Model prediction of $$\sigma _\mathrm {fid, SM} = 3.41 \pm 0.18 $$ σ fid , SM = 3.41 ± 0.18  fb. Differential fiducial cross sections are measured for a variety of observables which are sensitive to the production and decay of the Higgs boson. All measurements are in agreement with the Standard Model predictions. The results are used to constrain anomalous Higgs boson interactions with Standard Model particles. 
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  2. null (Ed.)
    Abstract Production cross sections of the Higgs boson are measured in the $${\mathrm{H}} \rightarrow {\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} \rightarrow 4\ell $$ H → Z Z → 4 ℓ ( $$\ell ={\mathrm{e}},{{{\upmu }}_{\mathrm{}}^{\mathrm{}}} $$ ℓ = e , μ ) decay channel. A data sample of proton–proton collisions at a center-of-mass energy of 13 $$\,\text {Te}\text {V}$$ Te , collected by the CMS detector at the LHC and corresponding to an integrated luminosity of 137 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 is used. The signal strength modifier $$\mu $$ μ , defined as the ratio of the Higgs boson production rate in the $$4\ell $$ 4 ℓ channel to the standard model (SM) expectation, is measured to be $$\mu =0.94 \pm 0.07 \,\text {(stat)} ^{+0.09}_{-0.08} \,\text {(syst)} $$ μ = 0.94 ± 0.07 (stat) - 0.08 + 0.09 (syst) at a fixed value of $$m_{{\mathrm{H}}} = 125.38\,\text {Ge}\text {V} $$ m H = 125.38 Ge . The signal strength modifiers for the individual Higgs boson production modes are also reported. The inclusive fiducial cross section for the $${\mathrm{H}} \rightarrow 4\ell $$ H → 4 ℓ process is measured to be $$2.84^{+0.23}_{-0.22} \,\text {(stat)} ^{+0.26}_{-0.21} \,\text {(syst)} \,\text {fb} $$ 2 . 84 - 0.22 + 0.23 (stat) - 0.21 + 0.26 (syst) fb , which is compatible with the SM prediction of $$2.84 \pm 0.15 \,\text {fb} $$ 2.84 ± 0.15 fb for the same fiducial region. Differential cross sections as a function of the transverse momentum and rapidity of the Higgs boson, the number of associated jets, and the transverse momentum of the leading associated jet are measured. A new set of cross section measurements in mutually exclusive categories targeted to identify production mechanisms and kinematical features of the events is presented. The results are in agreement with the SM predictions. 
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  3. null (Ed.)
    Abstract The production of Z boson pairs in proton–proton ( $${\mathrm{p}} {\mathrm{p}} $$ p p ) collisions, $${{\mathrm{p}} {\mathrm{p}} \rightarrow ({\mathrm{Z}}/\gamma ^*)({\mathrm{Z}}/\gamma ^*) \rightarrow 2\ell 2\ell '}$$ p p → ( Z / γ ∗ ) ( Z / γ ∗ ) → 2 ℓ 2 ℓ ′ , where $${\ell ,\ell ' = {\mathrm{e}}}$$ ℓ , ℓ ′ = e or $${{\upmu }}$$ μ , is studied at a center-of-mass energy of 13 $$\,\text {TeV}$$ TeV with the CMS detector at the CERN LHC. The data sample corresponds to an integrated luminosity of 137 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 , collected during 2016–2018. The $${\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} $$ Z Z production cross section, $$\sigma _{\text {tot}} ({\mathrm{p}} {\mathrm{p}} \rightarrow {\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} ) = 17.4 \pm 0.3 \,\text {(stat)} \pm 0.5 \,\text {(syst)} \pm 0.4 \,\text {(theo)} \pm 0.3 \,\text {(lumi)} \text { pb} $$ σ tot ( p p → Z Z ) = 17.4 ± 0.3 (stat) ± 0.5 (syst) ± 0.4 (theo) ± 0.3 (lumi) pb , measured for events with two pairs of opposite-sign, same-flavor leptons produced in the mass region $${60< m_{\ell ^+\ell ^-} < 120\,\text {GeV}}$$ 60 < m ℓ + ℓ - < 120 GeV is consistent with standard model predictions. Differential cross sections are also measured and agree with theoretical predictions. The invariant mass distribution of the four-lepton system is used to set limits on anomalous $${\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} $$ Z Z Z and $${{\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} \gamma }$$ Z Z γ couplings. 
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  4. A bstract Measurements of the total and differential fiducial cross sections for the Z boson decaying into two neutrinos are presented at the LHC in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The data were collected by the CMS detector in 2016 and correspond to an integrated luminosity of 35.9 fb − 1 . In these measurements, events are selected containing an imbalance in transverse momentum and one or more energetic jets. The fiducial differential cross section is measured as a function of the Z boson transverse momentum. The results are combined with a previous measurement of charged-lepton decays of the Z boson. The measured total fiducial cross section for events with Z boson transverse momentum greater than 200 GeV is $$ {3000}_{-170}^{+180} $$ 3000 − 170 + 180 fb. 
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  5. null (Ed.)
    Abstract A search for heavy resonances decaying into a pair of Z bosons leading to $$\ell ^+\ell ^-\ell '^+\ell '^-$$ ℓ + ℓ - ℓ ′ + ℓ ′ - and $$\ell ^+\ell ^-\nu {{\bar{\nu }}}$$ ℓ + ℓ - ν ν ¯ final states, where $$\ell $$ ℓ stands for either an electron or a muon, is presented. The search uses proton–proton collision data at a centre-of-mass energy of 13 TeV collected from 2015 to 2018 that corresponds to the integrated luminosity of 139 $$\mathrm {fb}^{-1}$$ fb - 1 recorded by the ATLAS detector during Run 2 of the Large Hadron Collider. Different mass ranges spanning 200 GeV to 2000 GeV for the hypothetical resonances are considered, depending on the final state and model. In the absence of a significant observed excess, the results are interpreted as upper limits on the production cross section of a spin-0 or spin-2 resonance. The upper limits for the spin-0 resonance are translated to exclusion contours in the context of Type-I and Type-II two-Higgs-doublet models, and the limits for the spin-2 resonance are used to constrain the Randall–Sundrum model with an extra dimension giving rise to spin-2 graviton excitations. 
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