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Observation of $Υ$(1S) + Z associated production and measurement of the effective double-parton scattering cross section in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

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Report No.: CERN-EP-2025-163; CMS-BPH-23-007; arXiv:2602.02770

Abstract: The observation of associated production of an $Υ$(1S) meson with a Z boson and a measurement of the ratio of its fiducial cross section to the fiducial cross section of the Z boson are presented. Both the $Υ$(1S) meson and the Z boson are identified via decays into a pair of opposite-sign muons. The analysis is based on proton-proton (pp) collision data at $\sqrt{s}$ = 13 TeV, collected with the CMS detector in 2016$-$2018 and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Using the production of the Z boson decaying into four muons as a normalization channel, the ratio of the fiducial cross sections $σ$(pp $\to$ Z $+$$Υ$(1S))$\mathcal{B}$(Z $\to$$μ^+μ^-$)$\mathcal{B}$($Υ$(1S) $\to$$μ^+μ^-$ ) to $σ$(pp $\to$ Z)$\mathcal{B}$(Z $\to$ 4$μ$) is measured to be $\mathcal{R}_{\mathrm{Z+Υ}\mathrm{(1S)}}$ = (21.1 $\pm$ 55 (stat) $\pm$ 0.6 (syst) $\times$ 10$^{-3}$), where stat and syst denote the statistical and systematic uncertainties, respectively. The result is used to extract the effective double-parton scattering cross section $σ_\text{eff}$ = 13.0$^{+7.7}_{-3.4}$. In addition, for the first time, $σ_\text{eff}$ is measured in bins of the transverse momentum of the $Υ$(1S) meson or of the Z boson.


Note: Submitted to Physical Review Letters. All figures and tables can be found at http://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/publications/BPH-23-007 (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: Das Quantisierte Universum II (390833306) (390833306)
Experiment(s):
  1. LHC: CMS
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