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Evidence of ZZ$γ$ production and observation of $4\ellγ$ in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

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2026

[10.3204/PUBDB-2026-01260]  GO

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Report No.: CERN-EP-2026-102; CMS-SMP-24-014; arXiv:2604.02594

Abstract: Evidence of the production of two Z bosons and a photon in proton-proton collisions is reported for the first time in CMS. The analysis uses data collected by the CMS experiment between 2016 and 2018 at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The first evidence for the process pp $\to$ ZZ$γ$$\to$ 4$\ellγ$ ($\ell$ = e, $μ$), with an observed (expected) significance of 3.7 (3.1) standard deviations in a fiducial region defined by $p_\mathrm{T}^γ$$\gt$ 20 GeV, $\lvertη^γ\rvert$$\lt$ 2.4, $ΔR(\ell,γ)$$\gt$ 0.5, $m_\text{Z}$ between 60 and 120 GeV, and the invariant mass of either of the two Z bosons combined with the photon ($m_{\text{Z}γ}$) larger than 100 GeV, is reported. The measured (predicted) fiducial cross section is 60$^{+27}_{-22}$ ab (47.56 $\pm$ 0.04 ab). Additionally, the inclusive production of pp $\to$ 4$\ellγ$ is studied by removing the $m_{\text{Z}γ}$ requirement to include final state radiation where one Z boson decays to 2$\ellγ$, yielding an observed (expected) significance of 5.0 (4.2) standard deviations and a measured (predicted) fiducial cross section of 156$^{+39}_{-35}$ ab (99.97 $\pm$ 0.09 ab).


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/SMP-24-014 (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

Appears in the scientific report 2026
Database coverage:
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