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Search for an $L_{\mu}-L_{\tau}$ gauge boson using Z$\to4\mu$ events in proton-proton collisions at $\sqrt{s} =$ 13 TeV

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2018

[10.3204/PUBDB-2018-03088]  GO

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Report No.: CERN-EP-2018-208; CMS-EXO-18-008; arXiv:1808.03684

Abstract: A search for a narrow Z$'$ gauge boson with a mass between 5 and 70 GeV resulting from an $L_{\mu}-L_{\tau}$ $U(1)$ local gauge symmetry is reported. Events containing four muons with an invariant mass near the standard model Z boson mass are analyzed, and the selection is further optimized to be sensitive to the events that may contain Z$\to$Z$'\mu\mu\to4\mu$ decays. A data sample of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV is used, corresponding to an integrated luminosity of 77.3 fb$^{-1}$ recorded in 2016 and 2017 by the CMS detector at the LHC. Theories that predict such a particle have been proposed as an explanation of various experimental discrepancies, including the lack of a dark matter signal in direct-detection experiments, tension in the measurement of the anomalous magnetic moment of the muon, and reports of possible lepton flavor universality violation in B meson decays. The event yields are consistent with the standard model predictions. Upper limits of 10$^{-8}$-10$^{-7}$ at 95% confidence level are set on the product of branching fractions $\mathcal{B}$(Z $\to$ Z$' \mu \mu$) $\mathcal{B}$(Z$' \to\mu \mu$), depending on the Z$'$ mass, which excludes a Z$'$ boson coupling strength to muons above 0.004-0.3. These are the first dedicated limits on $L_{\mu}-L_{\tau}$ models at the LHC and result in a significant increase in the excluded model parameter space.

Contributing Institute(s):
  1. LHC/CMS Experiment (CMS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF3-611) (POF3-611)
Experiment(s):
  1. LHC: CMS

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Physics letters / B 792, 345 - 368 () [10.1016/j.physletb.2019.01.072]  GO OpenAccess  Download fulltext Files  Download fulltextFulltext Download fulltextFulltext by arXiv.org BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

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