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Observation of an excess of di-charmonium events in the four-muon final state with the ATLAS detector

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2023

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Report No.: CERN-EP-2023-035; arXiv:2304.08962

Abstract: A search is made for potential $cc\bar{c}\bar{c}$ tetraquarks decaying into a pair of charmonium states in the four muon final state using proton-proton collision data at $\sqrt{s}=13$ TeV, corresponding to an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$ recorded by the ATLAS experiment at LHC. Two decay channels, $J/\psi+J/\psi \rightarrow 4\mu$ and $J/\psi+\psi(2S) \rightarrow 4\mu$, are studied. Backgrounds are estimated based on a hybrid approach involving Monte Carlo simulations and data-driven methods. Statistically significant excesses are seen in the di-$J/\psi$ channel consistent with a narrow resonance at 6.9 GeV and a broader structure at lower mass. A statistically significant excess is also seen in the $J/\psi$+$\psi$(2S) channel. The fitted masses and decay widths of the structures are reported.

Keyword(s): p p: colliding beams ; resonance: production ; mass: width ; (4muon): final state ; p p: scattering ; J/psi(3100): pair production ; J/psi(3100): leptonic decay ; muon: pair production ; numerical calculations: Monte Carlo ; ATLAS ; structure ; psi(3685): leptonic decay ; charmonium: pair production ; hybrid ; tetraquark ; CERN LHC Coll ; narrow resonance ; resonance: mass: measured ; resonance: width ; width: measured ; background ; data analysis method ; experimental results ; 13000 GeV-cms


Note: 31 pages in total, author list starting page 14, 3 figures, 3 tables, submitted to Phys. Rev. Lett. All figures including auxiliary figures are available at https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/BPHY-2022-01/

Contributing Institute(s):
  1. LHC/ATLAS Experiment (ATLAS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
Experiment(s):
  1. LHC: ATLAS

Appears in the scientific report 2023
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Physical review letters 131(15), 151902 () [10.1103/PhysRevLett.131.151902]  GO OpenAccess  Download fulltext Files  Download fulltextFulltext by arXiv.org BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS


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