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Title: Luminosity determination using Z boson production at the CMS experiment
Abstract The measurement of Z boson production is presented as a method to determine the integrated luminosity of CMS data sets. The analysis uses proton–proton collision data, recorded by the CMS experiment at the CERN LHC in 2017 at a center-of-mass energy of 13$$\,\text {Te\hspace{-.08em}V}$$ Te V . Events with Z bosons decaying into a pair of muons are selected. The total number of Z bosons produced in a fiducial volume is determined, together with the identification efficiencies and correlations from the same data set, in small intervals of 20$$\,\text {pb}^{-1}$$ pb - 1 of integrated luminosity, thus facilitating the efficiency and rate measurement as a function of time and instantaneous luminosity. Using the ratio of the efficiency-corrected numbers of Z bosons, the precisely measured integrated luminosity of one data set is used to determine the luminosity of another. For the first time, a full quantitative uncertainty analysis of the use of Z  bosons for the integrated luminosity measurement is performed. The uncertainty in the extrapolation between two data sets, recorded in 2017 at low and high instantaneous luminosity, is less than 0.5%. We show that the Z boson rate measurement constitutes a precise method, complementary to traditional methods, with the potential to improve the measurement of the integrated luminosity.  more » « less
Award ID(s):
2121686
PAR ID:
10548204
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Springer
Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
84
Issue:
1
ISSN:
1434-6052
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
More Like this
  1. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, The European Physical Journal C)
    Abstract Production cross sections of the standard model Higgs boson decaying to a pair of W bosons are measured in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13$$\,\text {Te\hspace{-.08em}V}$$ Te V . The analysis targets Higgs bosons produced via gluon fusion, vector boson fusion, and in association with a W or Z boson. Candidate events are required to have at least two charged leptons and moderate missing transverse momentum, targeting events with at least one leptonically decaying W boson originating from the Higgs boson. Results are presented in the form of inclusive and differential cross sections in the simplified template cross section framework, as well as couplings of the Higgs boson to vector bosons and fermions. The data set collected by the CMS detector during 2016–2018 is used, corresponding to an integrated luminosity of 138$$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The signal strength modifier$$\mu $$ μ , defined as the ratio of the observed production rate in a given decay channel to the standard model expectation, is measured to be$$\mu = 0.95^{+0.10}_{-0.09}$$ μ = 0 . 95 - 0.09 + 0.10 . All results are found to be compatible with the standard model within the uncertainties. 
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  2. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, The European Physical Journal C)
    Abstract The strange quark content of the proton is probed through the measurement of the production cross section for a W boson and a charm (c) quark in proton–proton collisions at a center-of-mass energy of 13$$\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Te V . The analysis uses a data sample corresponding to a total integrated luminosity of 138$$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 collected with the CMS detector at the LHC. The W bosons are identified through their leptonic decays to an electron or a muon, and a neutrino. Charm jets are tagged using the presence of a muon or a secondary vertex inside the jet. The$$\hbox {W}+\hbox {c}$$ W + c production cross section and the cross section ratio$$R_\textrm{c}^{\pm }= \sigma ({\hbox {W}}^{+}+\bar{\text {c}})/\sigma (\hbox {W}^{-}+{\textrm{c}})$$ R c ± = σ ( W + + c ¯ ) / σ ( W - + c ) are measured inclusively and differentially as functions of the transverse momentum and the pseudorapidity of the lepton originating from the W boson decay. The precision of the measurements is improved with respect to previous studies, reaching 1% in$$R_\textrm{c}^{\pm }= 0.950 \pm 0.005\,\text {(stat)} \pm 0.010 \,\text {(syst)} $$ R c ± = 0.950 ± 0.005 (stat) ± 0.010 (syst) . The measurements are compared with theoretical predictions up to next-to-next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics. 
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  3. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, The European Physical Journal C)
    Abstract A search for decays to invisible particles of Higgs bosons produced in association with a top-antitop quark pair or a vector boson, which both decay to a fully hadronic final state, has been performed using proton-proton collision data collected at$${\sqrt{s}=13\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V}}$$ s = 13 Te V by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138$$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The 95% confidence level upper limit set on the branching fraction of the 125$$\,\text {Ge}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Ge V Higgs boson to invisible particles,$${\mathcal {B}({\textrm{H}} \rightarrow \text {inv})}$$ B ( H → inv ) , is 0.54 (0.39 expected), assuming standard model production cross sections. The results of this analysis are combined with previous$${\mathcal {B}({\textrm{H}} \rightarrow \text {inv})}$$ B ( H → inv ) searches carried out at$${\sqrt{s}=7}$$ s = 7 , 8, and 13$$\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Te V in complementary production modes. The combined upper limit at 95% confidence level on$${\mathcal {B}({\textrm{H}} \rightarrow \text {inv})}$$ B ( H → inv ) is 0.15 (0.08 expected). 
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  4. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, The European Physical Journal C)
    Abstract A study of the anomalous couplings of the Higgs boson to vector bosons, including$${\textit{CP}}$$ CP -violation effects, has been conducted using its production and decay in the WW channel. This analysis is performed on proton–proton collision data collected with the CMS detector at the CERN LHC during 2016–2018 at a center-of-mass energy of 13 TeV, and corresponds to an integrated luminosity of 138$$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The different-flavor dilepton$$({\textrm{e}} {{\upmu }})$$ ( e μ ) final state is analyzed, with dedicated categories targeting gluon fusion, electroweak vector boson fusion, and associated production with a W or Z boson. Kinematic information from associated jets is combined using matrix element techniques to increase the sensitivity to anomalous effects at the production vertex. A simultaneous measurement of four Higgs boson couplings to electroweak vector bosons is performed in the framework of a standard model effective field theory. All measurements are consistent with the expectations for the standard model Higgs boson and constraints are set on the fractional contribution of the anomalous couplings to the Higgs boson production cross section. 
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  5. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, The European Physical Journal C)
    Abstract A measurement is presented of a ratio observable that provides a measure of the azimuthal correlations among jets with large transverse momentum$$p_{\textrm{T}}$$ p T . This observable is measured in multijet events over the range of$$p_{\textrm{T}} = 360$$ p T = 360 –$$3170\,\text {Ge}\hspace{-.08em}\text {V} $$ 3170 Ge V based on data collected by the CMS experiment in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13$$\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Te V , corresponding to an integrated luminosity of 134$$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The results are compared with predictions from Monte Carlo parton-shower event generator simulations, as well as with fixed-order perturbative quantum chromodynamics (pQCD) predictions at next-to-leading-order (NLO) accuracy obtained with different parton distribution functions (PDFs) and corrected for nonperturbative and electroweak effects. Data and theory agree within uncertainties. From the comparison of the measured observable with the pQCD prediction obtained with the NNPDF3.1 NLO PDFs, the strong coupling at the Z boson mass scale is$$\alpha _\textrm{S} (m_{{\textrm{Z}}}) =0.1177 \pm 0.0013\, \text {(exp)} _{-0.0073}^{+0.0116} \,\text {(theo)} = 0.1177_{-0.0074}^{+0.0117}$$ α S ( m Z ) = 0.1177 ± 0.0013 (exp) - 0.0073 + 0.0116 (theo) = 0 . 1177 - 0.0074 + 0.0117 , where the total uncertainty is dominated by the scale dependence of the fixed-order predictions. A test of the running of$$\alpha _\textrm{S}$$ α S in the$$\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Te V region shows no deviation from the expected NLO pQCD behaviour. 
    more » « less
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