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Search for charged lepton flavor violating Z and Z' boson decays in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

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2025

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Report No.: CERN-EP-2025-130; CMS-SMP-23-003; arXiv:2508.07512

Abstract: A search for flavor violating decays of the Z boson to charged leptons is performed using data from proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV collected with the CMS detector at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Each of the decays Z $\to$ e$μ$, Z $\to$ e$τ$, and Z $\to$$μτ$ is considered. The data are consistent with the backgrounds expected from standard model processes. For the Z $\to$ e$μ$ channel the observed (expected) 95% confidence level upper limit on the branching fraction is 1.9 (2.0) $\times$ 10$^{-7}$, which is the most stringent direct limit to date on this process; the corresponding limits for the Z $\to$ e$τ$ and Z $\to$ $μτ$ channels are 13.8 (11.4) $\times$ 10$^{-6}$ and 12.0 (5.3) $\times$ 10$^{-6}$, respectively. Additionally, the e$μ$ final state is used to search for lepton flavor violating decays of Z' resonances in the mass range from 110 to 500 GeV. No significant excess is observed above the predicted background levels.


Note: Submitted to Physical Review D. All figures and tables can be found at http://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/publications/SMP-23-003 (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)
  3. DFG project G:(GEPRIS)390833306 - EXC 2121: Quantum Universe (390833306) (390833306)
Experiment(s):
  1. LHC: CMS

Appears in the scientific report 2025
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