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Search for the Higgs boson decay to a $Z$ boson and a photon in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV and $13.6$ TeV with the ATLAS detector

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2025

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Report No.: CERN-EP-2025-155; arXiv:2507.12598

Abstract: A search for the Higgs boson decay to a $Z$ boson and a photon in the $\ell\ellγ$ ($\ell = e, μ$) final state is performed using $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13.6$ TeV recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider during 2022-2024, corresponding to an integrated luminosity of 165 fb$^{-1}$. The signal yield, normalised to the Standard Model prediction, is measured to be $μ=0.9^{+0.7}_{-0.6}$, compared to an expected value of $μ=1.0\pm0.7$. This corresponds to an observed (expected) signal significance of 1.4 (1.5) standard deviations for the background-only hypothesis. This result is combined with that of a similar search performed with 140 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s}=13$ TeV $pp$ collisions to provide the most stringent expected sensitivity to date to this rare decay, namely an observed (expected) signal strength of $μ= 1.3^{+0.6}_{-0.5}$ ($μ= 1.0^{+0.6}_{-0.5}$), corresponding to an observed (expected) significance of 2.5 (1.9) standard deviations. The measurement is consistent with the Standard Model expectation.


Note: 43 pages in total, author list starting page 26, 4 figures, 4 tables, submitted to Phys. Lett. B. All figures including auxiliary figures are available at https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/HIGP-2024-19

Contributing Institute(s):
  1. LHC/ATLAS Experiment (ATLAS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
  2. DFG project G:(GEPRIS)469666862 - Präzisionstests des Standardmodells unter der Verwendung von geboosteten W/Z-Bosonen am Large Hadron Collider (469666862) (469666862)
  3. BARD - B-resonance Algorithm using Rare Decays (101116429) (101116429)
  4. DITTO - Comprehensive search for new phenomena in the dilepton spectrum at the LHC (101089007) (101089007)
  5. REALDARK - REAL-time discovery strategies for DARK matter and dark sector signals at the ATLAS detector with Run-3 LHC data (101002463) (101002463)
  6. SMASH - Machine learning for Sciences and Humanities (101081355) (101081355)
Experiment(s):
  1. LHC: ATLAS

Appears in the scientific report 2025
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