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Search for Z' bosons decaying to pairs of heavy Majorana neutrinos in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

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2023

[10.3204/PUBDB-2023-05105]  GO

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Report No.: CERN-EP-2023-115; CMS-EXO-20-006; arXiv:2307.06959

Abstract: A search for the production of pairs of heavy Majorana neutrinos (N$_\ell$) from the decays of Z' bosons is performed using the CMS detector at the LHC. The data were collected in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of $\sqrt{s}$ = 13 TeV, with an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The signature for the search is an excess in the invariant mass distribution of the final-state objects, two same-flavor leptons (e or $\mu$) and at least two jets. No significant excess of events beyond the expected background is observed. Upper limits at 95% confidence level are set on the product of the Z' production cross section and its branching fraction to a pair of N$_\ell$, as functions of N$_\ell$ and Z' boson masses ($m_{\mathrm{N}_\ell}$ and $m_\mathrm{Z'}$, respectively) for $m_\mathrm{Z'}$ from 0.4 to 4.6 TeV and $m_{\mathrm{N}_\ell}$ from 0.1 TeV to $m_\mathrm{Z'}$/2. In the theoretical framework of a left-right symmetric model, exclusion bounds in the $m_{\mathrm{N}_\ell}$-$m_\mathrm{Z'}$ plane are presented in both the electron and muon channels. The observed upper limit on $m_\mathrm{Z'}$ reaches up to 4.42 TeV. These are the most restrictive limits to date on the mass of N$_\ell$ as a function of the Z' boson mass.

Keyword(s): p p: colliding beams ; Z': mass ; p p: scattering ; neutrino: Majorana ; neutrino: pair production ; Z': leptonic decay ; Z': hadroproduction ; neutrino: heavy ; left-right ; muon ; channel cross section: branching ratio: upper limit ; mass dependence ; electron ; dilepton: mass spectrum ; CERN LHC Coll ; background ; signature ; dijet: mass spectrum ; CMS ; mass: upper limit ; experimental results ; 13000 GeV-cms


Note: Submitted to the Journal of High Energy Physics. All figures and tables can be found at http://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/publications/EXO-20-006 (CMS Public Pages)
Contributing Institute(s):
  1. LHC/CMS Experiment (CMS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
  2. HIDSS-0002 - DASHH: Data Science in Hamburg - Helmholtz Graduate School for the Structure of Matter (2019_IVF-HIDSS-0002) (2019_IVF-HIDSS-0002)
Experiment(s):
  1. LHC: CMS

Appears in the scientific report 2023
Database coverage:
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