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Title: Measurement of the Z boson differential production cross section using its invisible decay mode (Z → $$ \nu \overline{\nu} $$) in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV
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.
Authors:
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Award ID(s):
2046626
Publication Date:
NSF-PAR ID:
10320102
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2021
Issue:
5
ISSN:
1029-8479
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. 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 $$4\ellmore »$$ 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.« less
  2. 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 =more »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.« less
  3. A bstract Measurements are presented of differential cross sections for the production of Z bosons in association with at least one jet initiated by a charm quark in pp collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV. The data recorded by the CMS experiment at the LHC correspond to an integrated luminosity of 35.9 fb − 1 . The final states contain a pair of electrons or muons that are the decay products of a Z boson, and a jet consistent with being initiated by a charm quark produced in the hard interaction. Differential cross sections as a functionmore »of the transverse momentum p T of the Z boson and p T of the charm jet are compared with predictions from Monte Carlo event generators. The inclusive production cross section 405 . 4 ± 5 . 6 (stat) ± 24 . 3 (exp) ± 3 . 7 (theo) pb, is measured in a fiducial region requiring both leptons to have pseudorapidity |η| < 2 . 4 and p T > 10 GeV, at least one lepton with p T > 26 GeV, and a mass of the pair in the range 71–111 GeV, while the charm jet is required to have p T > 30 GeV and |η| < 2 . 4. These are the first measurements of these cross sections in proton-proton collisions at 13 TeV.« less
  4. Abstract Measurements of the Standard Model Higgs boson decaying into a $$b\bar{b}$$ b b ¯ pair and produced in association with a W or Z boson decaying into leptons, using proton–proton collision data collected between 2015 and 2018 by the ATLAS detector, are presented. The measurements use collisions produced by the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of $$\sqrt{s} = 13\,\text {Te}\text {V}$$ s = 13 Te , corresponding to an integrated luminosity of $$139\,\mathrm {fb}^{-1}$$ 139 fb - 1 . The production of a Higgs boson in association with a W or Z boson is established with observedmore »(expected) significances of 4.0 (4.1) and 5.3 (5.1) standard deviations, respectively. Cross-sections of associated production of a Higgs boson decaying into bottom quark pairs with an electroweak gauge boson, W or Z , decaying into leptons are measured as a function of the gauge boson transverse momentum in kinematic fiducial volumes. The cross-section measurements are all consistent with the Standard Model expectations, and the total uncertainties vary from 30% in the high gauge boson transverse momentum regions to 85% in the low regions. Limits are subsequently set on the parameters of an effective Lagrangian sensitive to modifications of the WH and ZH processes as well as the Higgs boson decay into $$b\bar{b}$$ b b ¯ .« less
  5. A bstract Inclusive and differential cross sections of single top quark production in association with a Z boson are measured in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV with a data sample corresponding to an integrated luminosity of 138 fb − 1 recorded by the CMS experiment. Events are selected based on the presence of three leptons, electrons or muons, associated with leptonic Z boson and top quark decays. The measurement yields an inclusive cross section of $$ {87.9}_{-7.3}^{+7.5}{\left(\mathrm{stat}\right)}_{-6.0}^{+7.3}\left(\mathrm{syst}\right) $$ 87.9 − 7.3 + 7.5 stat − 6.0 + 7.3 syst fb for a dilepton invariant mass greatermore »than 30 GeV, in agreement with standard model (SM) calculations and represents the most precise determination to date. The ratio between the cross sections for the top quark and the top antiquark production in association with a Z boson is measured as $$ {2.37}_{-0.42}^{+0.56}{\left(\mathrm{stat}\right)}_{-0.13}^{+0.27}\left(\mathrm{syst}\right) $$ 2.37 − 0.42 + 0.56 stat − 0.13 + 0.27 syst . Differential measurements at parton and particle levels are performed for the first time. Several kinematic observables are considered to study the modeling of the process. Results are compared to theoretical predictions with different assumptions on the source of the initial-state b quark and found to be in agreement, within the uncertainties. Additionally, the spin asymmetry, which is sensitive to the top quark polarization, is determined from the differential distribution of the polarization angle at parton level to be 0 . 54 ± 0 . 16 (stat) ± 0 . 06 (syst), in agreement with SM predictions.« less