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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
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. 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. 
    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. 
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  3. 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 $$0 more » « less
  4. Abstract This article reports on the inclusive production cross section of several quarkonium states, $$\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$$ s = 2.76 , 7, 8, and 13 TeV is presented and the energy dependence of quarkonium production cross sections is discussed. Finally, the results are compared with the predictions from several production models. 
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  5. null (Ed.)
    A bstract Measurement of Z-boson production in p-Pb collisions at $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ s NN = 8 . 16 TeV and Pb-Pb collisions at $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ s NN = 5 . 02 TeV is reported. It is performed in the dimuon decay channel, through the detection of muons with pseudorapidity − 4 < η μ < − 2 . 5 and transverse momentum $$ {p}_{\mathrm{T}}^{\mu } $$ p T μ > 20 GeV/ c in the laboratory frame. The invariant yield and nuclear modification factor are measured for opposite-sign dimuons with invariant mass 60 < m μμ < 120 GeV/ c 2 and rapidity 2 . 5 < $$ {y}_{\mathrm{cms}}^{\mu \mu} $$ y cms μμ < 4. They are presented as a function of rapidity and, for the Pb-Pb collisions, of centrality as well. The results are compared with theoretical calculations, both with and without nuclear modifications to the Parton Distribution Functions (PDFs). In p-Pb collisions the center-of-mass frame is boosted with respect to the laboratory frame, and the measurements cover the backward ( − 4 . 46 < $$ {y}_{\mathrm{cms}}^{\mu \mu} $$ y cms μμ < − 2 . 96) and forward (2 . 03 < $$ {y}_{\mathrm{cms}}^{\mu \mu} $$ y cms μμ < 3 . 53) rapidity regions. For the p-Pb collisions, the results are consistent within experimental and theoretical uncertainties with calculations that include both free-nucleon and nuclear-modified PDFs. For the Pb-Pb collisions, a 3 . 4 σ deviation is seen in the integrated yield between the data and calculations based on the free-nucleon PDFs, while good agreement is found once nuclear modifications are considered. 
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