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Title: Precision measurement of forward Z boson production in proton-proton collisions at $$ \sqrt{\mathrm{s}} $$ = 13 TeV
A bstract A precision measurement of the Z boson production cross-section at $$ \sqrt{\mathrm{s}} $$ s = 13 TeV in the forward region is presented, using pp collision data collected by the LHCb detector, corresponding to an integrated luminosity of 5.1 fb − 1 . The production cross-section is measured using Z → μ + μ − events within the fiducial region defined as pseudorapidity 2 . 0 < η < 4 . 5 and transverse momentum p T > 20 GeV /c for both muons and dimuon invariant mass 60 < M μμ < 120 GeV /c 2 . The integrated cross-section is determined to be $$ \sigma \left(Z\to {\mu}^{+}{\mu}^{-}\right)=196.4\pm 0.2\pm 1.6\pm 3.9\ \mathrm{pb}, $$ σ Z → μ + μ − = 196.4 ± 0.2 ± 1.6 ± 3.9 pb , where the first uncertainty is statistical, the second is systematic, and the third is due to the luminosity determination. The measured results are in agreement with theoretical predictions within uncertainties.  more » « less
Award ID(s):
1803004
NSF-PAR ID:
10343877
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2022
Issue:
7
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract We report on the inclusive $$\text {J}/\psi $$ J / ψ production cross section measured at the CERN Large Hadron Collider in proton–proton collisions at a center-of-mass energy $$\sqrt{s}~=~13$$ s = 13  TeV. The $$\text {J}/\psi $$ J / ψ mesons are reconstructed in the $$\text {e}^{+}\text {e}^{-}$$ e + e - decay channel and the measurements are performed at midrapidity ( $$|y|<0.9$$ | y | < 0.9 ) in the transverse-momentum interval $$0 more » « less
  2. null (Ed.)
    Abstract Production cross sections of the Higgs boson are measured in the $${\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} $$ 2.84 ± 0.15 fb for the same fiducial region. Differential cross sections as a function of the transverse momentum and rapidity of the Higgs boson, the number of associated jets, and the transverse momentum of the leading associated jet are measured. A new set of cross section measurements in mutually exclusive categories targeted to identify production mechanisms and kinematical features of the events is presented. The results are in agreement with the SM predictions. 
    more » « less
  3. null (Ed.)
    Abstract The production of Z boson pairs in proton–proton ( $${\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 }$$ Z Z γ couplings. 
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  4. Abstract This article reports on the inclusive production cross section of several quarkonium states, $$\textrm{J}/\psi $$ J / ψ , $$\psi \mathrm{(2S)}$$ ψ ( 2 S ) , $$\Upsilon \mathrm (1S)$$ Υ ( 1 S ) , $$\Upsilon \mathrm{(2S)}$$ Υ ( 2 S ) , and $$\Upsilon \mathrm{(3S)}$$ Υ ( 3 S ) , measured with the ALICE detector at the LHC, in pp collisions at $$\sqrt{s} = 5.02$$ s = 5.02  TeV. The analysis is performed in the dimuon decay channel at forward rapidity ( $$2.5< y < 4$$ 2.5 < y < 4 ). The integrated cross sections and transverse-momentum ( $$p_{\textrm{T}}$$ p T ) and rapidity ( $$y$$ y ) differential cross sections for $$\textrm{J}/\psi $$ J / ψ , $$\psi \mathrm{(2S)}$$ ψ ( 2 S ) , $$\Upsilon \mathrm (1S)$$ Υ ( 1 S ) , and the $$\psi \mathrm{(2S)}$$ ψ ( 2 S ) -to- $$\textrm{J}/\psi $$ J / ψ cross section ratios are presented. The integrated cross sections, assuming unpolarized quarkonia, are: $$\sigma _{\textrm{J}/\psi }$$ σ J / ψ  ( $$p_{\textrm{T}} <20$$ p T < 20  GeV/c) = 5.88 ± 0.03 ± 0.34 $$ ~\mu $$ μ b, $$\sigma _{\psi \mathrm{(2S)}}$$ σ ψ ( 2 S )  ( $$p_{\textrm{T}} <12$$ p T < 12  GeV/c) = 0.87 ± 0.06 ± 0.10 $$~\mu $$ μ b, $$\sigma _{\Upsilon \mathrm (1S)}$$ σ Υ ( 1 S )  ( $$p_{\textrm{T}} <15$$ p T < 15  GeV/c) = 45.5 ± 3.9 ± 3.5 nb, $$\sigma _{\Upsilon \mathrm{(2S)}}$$ σ Υ ( 2 S )  ( $$p_{\textrm{T}} <15$$ p T < 15  GeV/c) = 22.4 ± 3.2 ± 2.7 nb, and $$\sigma _{\Upsilon \mathrm{(3S)}}$$ σ Υ ( 3 S )  ( $$p_{\textrm{T}} <15$$ p T < 15  GeV/c) = 4.9 ± 2.2 ± 1.0 nb, where the first (second) uncertainty is the statistical (systematic) one. For the first time, the cross sections of the three $$\Upsilon $$ Υ states, as well as the $$\psi \mathrm{(2S)}$$ ψ ( 2 S ) one as a function of $$p_{\textrm{T}}$$ p T and $$y$$ y , are measured at $$\sqrt{s} = 5.02$$ s = 5.02  TeV at forward rapidity. These measurements also significantly extend the $$\textrm{J}/\psi $$ J / ψ $$p_{\textrm{T}}$$ p T reach and supersede previously published results. A comparison with ALICE measurements in pp collisions at $$\sqrt{s} = 2.76$$ s = 2.76 , 7, 8, and 13 TeV is presented and the energy dependence of quarkonium production cross sections is discussed. Finally, the results are compared with the predictions from several production models. 
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  5. A<sc>bstract</sc>

    Results are presented from a search for the Higgs boson decay HZγ, where Z→ ℓ+with= e or μ. The search is performed using a sample of proton-proton (pp) collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV, recorded by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb1. Events are assigned to mutually exclusive categories, which exploit differences in both event topology and kinematics of distinct Higgs production mechanisms to enhance signal sensitivity. The signal strengthμ, defined as the product of the cross section and the branching fraction$$ \left[\sigma \left(\textrm{pp}\to \textrm{H}\right)\mathcal{B}\left(\textrm{H}\to \textrm{Z}\upgamma \right)\right] $$σppHBHrelative to the standard model prediction, is extracted from a simultaneous fit to the+γ invariant mass distributions in all categories and is measured to beμ= 2.4 ± 0.9 for a Higgs boson mass of 125.38 GeV. The statistical significance of the observed excess of events is 2.7 standard deviations. This measurement corresponds to$$ \left[\sigma \left(\textrm{pp}\to \textrm{H}\right)\mathcal{B}\left(\textrm{H}\to \textrm{Z}\upgamma \right)\right]=0.21\pm 0.08 $$σppHBH=0.21±0.08pb. The observed (expected) upper limit at 95% confidence level onμis 4.1 (1.8), where the expected limit is calculated under the background-only hypothesis. The ratio of branching fractions$$ \mathcal{B}\left(\textrm{H}\to \textrm{Z}\upgamma \right)/\mathcal{B}\left(\textrm{H}\to \upgamma \upgamma \right) $$BH/BHγγis measured to be$$ {1.5}_{-0.6}^{+0.7} $$1.50.6+0.7, which agrees with the standard model prediction of 0.69 ± 0.04 at the 1.5 standard deviation level.

     
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