Searches for exclusive Higgs and Z boson decays into a vector quarkonium state and a photon using 139 fb$$^{-1}$$ of ATLAS $$\sqrt{s}=13$$ TeV proton–proton collision data
G. Aad, B. Abbott, D. C. Abbott, K. Abeling, S. H. Abidi, A. Aboulhorma, H. Abramowicz, H. Abreu, Y. Abulaiti, A. C. Abusleme Hoffman, B. S. Acharya, B. Achkar, C. Adam Bourdarios, L. Adamczyk, L. Adámek, S. V. Addepalli, J. Adelman, A. Adıgüzel, S. Adorni, T. Adye, A. A. Affolder, Y. Afik, M. N. Agaras, J. Agarwala, A. Aggarwal, C. Agheorghiesei, J. A. Aguilar–Saavedra, A. Ahmad, F. Ahmadov, W. S. Ahmed, S. Ahuja, X. Ai, G. Aielli, I. Aizenberg, M. Akbiyik, T. P. A. Åkesson, A. V. Akimov, K. Al Khoury, G. L. Alberghi, J. Albert, P. Albicocco, M. J. Alconada Verzini, S. Alderweireldt, M. Aleksa, I. N. Aleksandrov, C. Alexa, T. Alexopoulos, A. Alfonsi, F. Alfonsi, M. Alhroob, B. Ali, S. Ali, M. Aliev, G. Alimonti, W. Alkakhi, C. Allaire, B. M. M. Allbrooke, P. P. Allport, A. Aloisio, F. Alonso, C. Alpigiani, E. Alunno Camelia, M. Alvarez Estevez, M. G. Alviggi, Y. Amaral Coutinho, A. Ambler, C. Amelung, C. G. Ames, D. Amidei, S. P. Amor Dos Santos, S. Amoroso, K. R. Amos, C. S. Amrouche, V. Ananiev, C. Anastopoulos, T. Andeen, J. K. Anders, S. Y. Andrean, A. Andreazza, S. Angelidakis, A. Angerami, A. V. Anisenkov, A. Annovi, C. Antel, M. T. Anthony, E. Antipov, M. Antonelli, D. J. A. Antrim, F. Anulli, M. Aoki, T. Aoki, J. A. Aparisi Pozo, M. A. Aparo, L. Aperio Bella, C. Appelt, N. Aranzabal, V. Araujo Ferraz, C. Arcangeletti, A. T. H. Arce, E. Arena
Abstract
Abstract Searches for the exclusive decays of Higgs and Z bosons into a vector quarkonium state and a photon are performed in the $$\mu ^+\mu ^-\,\gamma $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo> </mml:msup> <mml:mspace/> <mml:mi>γ</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> final state with a proton–proton collision data sample corresponding to an integrated luminosity of 139 fb $$^{-1}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow/> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> collected at $$\sqrt{s}=13$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msqrt> <mml:mi>s</mml:mi> </mml:msqrt> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>13</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> TeV with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. The observed data are compatible with the expected backgrounds. The 95% confidence-level upper limits on the branching fractions of the Higgs boson decays into $$J/\psi \,\gamma $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>J</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:mi>ψ</mml:mi> <mml:mspace/> <mml:mi>γ</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> , $$\psi (2S)\,\gamma $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>ψ</mml:mi> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mi>S</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> <mml:mspace/> <mml:mi>γ</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> , and $$\Upsilon (1S,2S,3S)\,\gamma $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>Υ</mml:mi> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mi>S</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mi>S</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>3</mml:mn> <mml:mi>S</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> <mml:mspace/> <mml:mi>γ</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> are found to be $$2.0\times 10^{-4}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>2.0</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> , $$10.5\times 10^{-4}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>10.5</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> , and $$(2.5,4.2,3.4)\times 10^{-4}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>2.5</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>4.2</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>3.4</mml:mn> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> , respectively, assuming Standard Model production of the Higgs boson. The corresponding 95% CL upper limits on the branching fractions of the Z boson decays are $$1.2\times 10^{-6}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>1.2</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>6</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> , $$2.4\times 10^{-6}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>2.4</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>6</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> , and $$(1.1,1.3,2.4)\times 10^{-6}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>1.1</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>1.3</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>2.4</mml:mn> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>6</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> . An observed 95% CL interval of $$(-133,175)$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>133</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>175</mml:mn> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> is obtained for the $$\kappa _c/\kappa _\gamma $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>κ</mml:mi> <mml:mi>c</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>κ</mml:mi> <mml:mi>γ</mml:mi> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> ratio of Higgs boson coupling modifiers, and a 95% CL interval of $$(-37,40)$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>37</mml:mn>