DOE PAGES title logo U.S. Department of Energy
Office of Scientific and Technical Information

Title: Observation of the Z ψ + - Decay in pp Collisions at s =13TeV

Journal Article · · Physical Review Letters
; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; more »; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; « less

Here, this Letter presents the observation of the rare Z boson decay Z $$\to\psi\ell^+\ell^-$$. Here, $$\psi$$ represents contributions from direct J/$$\psi$$ and $$\psi$$(2S) $$\to$$ J/$$\psi X$$, $$\ell^+\ell^-$$ is a pair of electrons or muons, and the J/$$\psi$$ meson is detected via its decay to $$\mu^+\mu^-$$. The sample of proton-proton collision data, collected by the CMS experiment at the LHC at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponds to an integrated luminosity of 35.9 fb$$^{-1}$$. The signal is observed with a significance in excess of 5 standard deviations. After subtraction of the $$\psi$$(2S) $$\to$$ J/$$\psi X$$ contribution, the ratio of the branching fraction of the exclusive decay Z $$\to\psi\ell^+\ell^-$$ to the decay Z $$\to\mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$$ within a fiducial phase space is measured to be $$\mathcal{B}($$Z $$\to\psi\ell^+\ell^-) / \mathcal{B}($$Z $$\to\mu^+\mu^-\mu^+\mu^-) =$$ 0.67 $$\pm$$ 0.18 (stat) $$\pm$$ 0.05 (syst).

Research Organization:
Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL), Batavia, IL (United States); Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Livermore, CA (United States)
Sponsoring Organization:
USDOE Office of Science (SC), High Energy Physics (HEP) (SC-25)
Contributing Organization:
CMS Collaboration 1
Grant/Contract Number:
AC02-07CH11359
OSTI ID:
1454705
Report Number(s):
CERN-EP--2018-131; CMS-BPH--16-001; FERMILAB-PUB--18-265-CMS; arXiv:1806.04213; 1677496
Journal Information:
Physical Review Letters, Journal Name: Physical Review Letters Journal Issue: 14 Vol. 121; ISSN 0031-9007; ISSN PRLTAO
Publisher:
American Physical Society (APS)Copyright Statement
Country of Publication:
United States
Language:
English

References (48)

Measurements of inclusive W and Z cross sections in pp collisions at $ \sqrt {s} = 7 $ TeV journal January 2011
Parton distributions for the LHC run II journal April 2015
Search for exclusive Higgs and Z boson decays to ϕγ and ργ with the ATLAS detector journal July 2018
Observation of Z decays to four leptons with the CMS detector at the LHC journal December 2012
Evolution effects in $Z^0$ fragmentation into Charmonium journal November 1997
Extended maximum likelihood journal December 1990
Experimental observation of lepton pairs of invariant mass around 95 GeV/c2 at the CERN SPS collider journal July 1983
Z decay into a vector meson and a lepton pair journal August 1990
A measurement of photon radiation in lepton pair events from Z0 decays journal December 1991
Geant4—a simulation toolkit
  • Agostinelli, S.; Allison, J.; Amako, K.
  • Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol. 506, Issue 3 https://doi.org/10.1016/S0168-9002(03)01368-8
journal July 2003
A brief introduction to PYTHIA 8.1 journal June 2008
An introduction to PYTHIA 8.2 journal June 2015
: A statistical tool to unfold data distributions
  • Pivk, M.; Le Diberder, F. R.
  • Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol. 555, Issue 1-2 https://doi.org/10.1016/j.nima.2005.08.106
journal December 2005
The h→4ℓ spectrum at low m34: Standard Model vs. light New Physics journal June 2014
A note on Higgs decays into Z boson and J / Ψ ( ϒ ) journal October 2014
Measurements of four-lepton production in pp collisions at s = 8  TeV with the ATLAS detector journal February 2016
Measurement of the ZZ production cross section and Z → ℓ + ℓ − ℓ ′+ ℓ ′− branching fraction in pp collisions at s = 13   TeV journal December 2016
Matching NLO QCD computations with parton shower simulations: the POWHEG method journal November 2007
The anti- k t jet clustering algorithm journal April 2008
Review of Particle Physics journal October 2016
Performance of electron reconstruction and selection with the CMS detector in proton-proton collisions at √ s = 8 TeV journal June 2015
The CMS experiment at the CERN LHC journal August 2008
Performance of CMS muon reconstruction in pp collision events at √s = 7 TeV journal October 2012
On the rare decays Z → VV and Z → VP journal June 1990
Z 0 decay into charmonium via charm quark fragmentation journal November 1993
Electromagnetic production of quarkonium in Z 0 decay journal September 1993
J /ψ production from electromagnetic fragmentation in Z 0 decay journal November 1994
Next-to-leading-order QCD correction to inclusive J / ψ ( Υ ) production in Z 0 decay journal September 2010
Measurements of Four-Lepton Production at the Z Resonance in p p Collisions at s = 7 and 8 TeV with ATLAS journal June 2014
Search for Higgs and Z Boson Decays to J / ψ γ and ϒ ( n S ) γ with the ATLAS Detector journal March 2015
Towards the experimental clarification of quarkonium polarization journal September 2010
FastJet user manual: (for version 3.0.2) journal March 2012
Event generator tunes obtained from underlying event and multiparton scattering measurements journal March 2016
Measurements of the $$\mathrm {p}\mathrm {p}\rightarrow \mathrm{Z}\mathrm{Z}$$ p p → Z Z production cross section and the $$\mathrm{Z}\rightarrow 4\ell $$ Z → 4 ℓ branching fraction, and constraints on anomalous triple gauge couplings at $$\sqrt{s} = 13\,\text {TeV} $$ s = 13 TeV journal February 2018
Performance of Electron Reconstruction and Selection with the CMS Detector in Proton-Proton Collisions at √s = 8 TeV text January 2015
Questions and Answers journal October 1948
Questions and Answers journal December 1972
Measurements of inclusive W and Z cross sections in pp collisions at $\sqrt{s}\ =$ 7 TeV text January 2011
Review of Particle Physics text January 2012
Review of Particle Physics text January 2018
Performance of CMS muon reconstruction in pp collision events at √s = 7 TeV text January 2012
Observation of Z decays to four leptons with the CMS detector at the LHC text January 2012
Matching NLO QCD computations with Parton Shower simulations: the POWHEG method text January 2007
The anti-k_t jet clustering algorithm text January 2008
Performance of CMS muon reconstruction in pp collision events at sqrt(s) = 7 TeV text January 2012
Review of Particle Physics text January 2008
Event generator tunes obtained from underlying event and multiparton scattering measurements text January 2016
Measurements of Four-Lepton Production at the Z Resonance in pp Collisions at √s=7 and 8 TeV with ATLAS text January 2014