Measurements of $${\mathrm{p}} {\mathrm{p}} \rightarrow {\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} $$ production cross sections and constraints on anomalous triple gauge couplings at $$\sqrt{s} = 13\,\text {TeV} $$
A. M. Sirunyan, A. Tumasyan, W. Adam, F. Ambrogi, T. Bergauer, M. Dragicevic, J. Erö, A. Escalante Del Valle, R. Frühwirth, M. Jeitler, Natascha Krammer, L. Lechner, D. Liko, T. Madlener, I. Mikulec, F. M. Pitters, N. Rad, J. Schieck, R. Schöfbeck, Markus Spanring, S. Templ, W. Waltenberger, C.-E. Wulz, M. Zarucki, V. Chekhovsky, A. Litomin, В. Макаренко, J. Suarez Gonzalez, M. R. Darwish, E. A. De Wolf, D. Di Croce, X. Janssen, T. Kello, A. Lelek, M. Pieters, H. Rejeb Sfar, H. Van Haevermaet, P. Van Mechelen, S. Van Putte, N. Van Remortel, F. Blekman, E. S. Bols, S. S. Chhibra, J. D’Hondt, J. De Clercq, D. Lontkovskyi, S. Lowette, I. Marchesini, S. Moortgat, A. Morton, Q. Python, S. Tavernier, W. Van Doninck, P. Van Mulders, D. Beghin, B. Bilin, B. Clerbaux, G. De Lentdecker, B. Dorney, L. Favart, A. Grebenyuk, A. K. Kalsi, I. Makarenko, L. Moureaux, L. Pétré, A. Popov, N. Postiau, E. Starling, Laurent Thomas, C. Vander Velde, P. Vanlaer, D. Vannerom, L. Wezenbeek, T. Cornelis, D. Dobur, M. Gruchala, I. Khvastunov, M. Niedziela, C. Roskas, K. Skovpen, M. Tytgat, W. Verbeke, B. Vermassen, M. Vit, G. Bruno, F. Bury, C. Caputo, P. David, C. Delaere, M. Delcourt, I. S. Donertas, A. Giammanco, V. Lemaitre, K. Mondal, J. Prisciandaro, A. Taliercio, M. Teklishyn, P. Vischia, S. Wuyckens, J. Zobec
Abstract
Abstract The production of Z boson pairs in proton–proton ( $${\mathrm{p}} {\mathrm{p}} $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mi>p</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> ) collisions, $${{\mathrm{p}} {\mathrm{p}} \rightarrow ({\mathrm{Z}}/\gamma ^*)({\mathrm{Z}}/\gamma ^*) \rightarrow 2\ell 2\ell '}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>Z</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>γ</mml:mi> <mml:mo>∗</mml:mo> </mml:msup> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>Z</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>γ</mml:mi> <mml:mo>∗</mml:mo> </mml:msup> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mi>ℓ</mml:mi> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:msup> <mml:mi>ℓ</mml:mi> <mml:mo>′</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> , where $${\ell ,\ell ' = {\mathrm{e}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>ℓ</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>ℓ</mml:mi> <mml:mo>′</mml:mo> </mml:msup> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mi>e</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> or $${{\upmu }}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mi>μ</mml:mi> </mml:math> , is studied at a center-of-mass energy of 13 $$\,\text {TeV}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:mtext>TeV</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:math> with the CMS detector at the CERN LHC. The data sample corresponds to an integrated luminosity of 137 $$\,\text {fb}^{-1}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:msup> <mml:mtext>fb</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> , collected during 2016–2018. The $${\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>Z</mml:mi> <mml:mi>Z</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> production cross section, $$\sigma _{\text {tot}} ({\mathrm{p}} {\mathrm{p}} \rightarrow {\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} ) = 17.4 \pm 0.3 \,\text {(stat)} \pm 0.5 \,\text {(syst)} \pm 0.4 \,\text {(theo)} \pm 0.3 \,\text {(lumi)} \text { pb} $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>σ</mml:mi> <mml:mtext>tot</mml:mtext> </mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mi>Z</mml:mi> <mml:mi>Z</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>17.4</mml:mn> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.3</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mtext>(stat)</mml:mtext> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.5</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mtext>(syst)</mml:mtext> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.4</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mtext>(theo)</mml:mtext> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.3</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mtext>(lumi) pb</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:math> , measured for events with two pairs of opposite-sign, same-flavor leptons produced in the mass region $${60< m_{\ell ^+\ell ^-} < 120\,\text {GeV}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>60</mml:mn> <mml:mo><</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>m</mml:mi> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>ℓ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mi>ℓ</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo><</mml:mo> <mml:mn>120</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mtext>GeV</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:math> 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 $${\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>Z</mml:mi> <mml:mi>Z</mml:mi> <mml:mi>Z</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> and $${{\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} \gamma }$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>Z</mml:mi> <mml:mi>Z</mml:mi> <mml:mi>γ</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> couplings.