Study of the rare decay J/ψ → μ+μ−μ+μ−
Authors:   The LHCb collaboration, Aaij R. , Abdelmotteleb A. S. W. , Abellan Beteta C. , Abudinén F. , Ackernley T. , Adefisoye A. A. , Adeva B. , Adinolfi M. , Adlarson P. , Agapopoulou C. , Aidala C. A. , Ajaltouni Z. , Akar S. , Akiba K. , Albicocco P. , Albrecht J. , Alessio F. , Alexander M. , Aliouche Z. , Alvarez Cartelle P. , Amalric R. , Amato S. , Amey J. L. , Amhis Y. , An L. , Anderlini L. , Andersson M. , Andreianov A. , Andreola P. , Andreotti M. , Andreou D. , Anelli A. , Ao D. , Archilli F. , Argenton M. , Arguedas Cuendis S. , Artamonov A. , Artuso M. , Aslanides E. , Ataíde Da Silva R. , Atzeni M. , Audurier B. , Bacher D. , Bachiller Perea I. , Bachmann S. , Bachmayer M. , Back J. J. , Baladron Rodriguez P. , Balagura V. , Baldini W. , Balzani L. , Bao H. , Baptista de Souza Leite J. , Barbero Pretel C. , Barbetti M. , Barbosa I. R. , Barlow R. J. , Barnyakov M. , Barsuk S. , Barter W. , Bartolini M. , Bartz J. , Basels J. M. , Bashir S. , Bassi G. , Batsukh B. , Battista P. B. , Bay A. , Beck A. , Becker M. , Bedeschi F. , Bediaga I. B. , Behling N. B. , Belin S. , Bellee V. , Belous K. , Belov I. , Belyaev I. , Benane G. , Bencivenni G. , Ben-Haim E. , Berezhnoy A. , Bernet R. , Bernet Andres S. , Bertolin A. , Betancourt C. , Betti F. , Bex J. , Bezshyiko Ia. , Bhom J. , Bieker M. S. , Biesuz N. V. , Billoir P. , Biolchini A. , Birch M. , Bishop F. C. R. , Bitadze A. , Bizzeti A. , Blake T. , Blanc F. , Blank J. E. , Blusk S. , Bocharnikov V. , Boelhauve J. A. , Boente Garcia O. , Boettcher T. , Bohare A. , Boldyrev A. , Bolognani C. S. , Bolzonella R. , Bondar N. , Borgato F. , Borghi S. , Borsato M. , Borsuk J. T. , Bouchiba S. A. , Bovill M. , Bowcock T. J. V. , Boyer A. , Bozzi C. , Brea Rodriguez A. , Breer N. , Brodzicka J. , Brossa Gonzalo A. , Brown J. , Brundu D. , Buchanan E. , Buonaura A. , Buonincontri L. , Burke A. T. , Burr C. , Butkevich A. , Butter J. S. , Buytaert J. , Byczynski W. , Cadeddu S. , Cai H. , Caillet A. C. , Calabrese R. , Calderon Ramirez S. , Calefice L. , Cali S. , Calvi M. , Calvo Gomez M. , Camargo Magalhaes P. , Cambon Bouzas J. I. , Campana P. , Campora Perez D. H. , Campoverde Quezada A. F. , Capelli S. , Capriotti L. , Caravaca-Mora R. , Carbone A. , Carcedo Salgado L. , Cardinale R. , Cardini A. , Carniti P. , Carus L. , Casais Vidal A. , Caspary R. , Casse G. , Castro Godinez J. , Cattaneo M. , Cavallero G. , Cavallini V. , Celani S. , Cervenkov D. , Cesare S. , Chadwick A. J. , Chahrour I. , Chang X. , Charles M. , Charpentier Ph. , Chatzianagnostou E. , Chavez Barajas C. A. , Chefdeville M. , Chen C. , Chen S. , Chen Z. , Chernov A. , Chernyshenko S. , Chiotopoulos X. , Chobanova V. , Cholak S. , Chrzaszcz M. , Chubykin A. , Chulikov V. , Ciambrone P. , Cid Vidal X. , Ciezarek G. , Cifra P. , Clarke P. E. L. , Clemencic M. , Cliff H. V. , Closier J. , Cocha Toapaxi C. , Coco V. , Cogan J. , Cogneras E. , Cojocariu L. , Collins P. , Colombo T. , Colonna M. C. , Comerma-Montells A. , Congedo L. , Contu A. , Cooke N. , Corredoira I. , Correia A. , Corti G. , Cottee Meldrum J. J. , Couturier B. , Craik D. C. , Cruz Torres M. , Curras Rivera E. , Currie R. , Da Silva C. L. , Dadabaev S. , Dai L. , Dai X. , Dall’Occo E. , Dalseno J. , D’Ambrosio C. , Daniel J. , Danilina A. , d’Argent P. , Davidson A. , Davies J. E. , Davis A. , De Aguiar Francisco O. , De Angelis C. , De Benedetti F. , de Boer J. , De Bruyn K. , De Capua S. , De Cian M. , De Freitas Carneiro Da Graca U. , De Lucia E. , De Miranda J. M. , De Paula L. , De Serio M. , De Simone P. , De Vellis F. , de Vries J. A. , Debernardis F. , Decamp D. , Dedu V. , Del Buono L. , Delaney B. , Dembinski H.-P. , Deng J. , Denysenko V. , Deschamps O. , Dettori F. , Dey B. , Di Nezza P. , Diachkov I. , Didenko S. , Ding S. , Dittmann L. , Dobishuk V. , Docheva A. D. , Dong C. , Donohoe A. M. , Dordei F. , dos Reis A. C. , Dowling A. D. , Duan W. , Duda P. , Dudek M. W. , Dufour L. , Duk V. , Durante P. , Duras M. M. , Durham J. M. , Durmus O. D. , Dziurda A. , Dzyuba A. , Easo S. , Eckstein E. , Egede U. , Egorychev A. , Egorychev V. , Eisenhardt S. , Ejopu E. , Eklund L. , Elashri M. , Ellbracht J. , Ely S. , Ene A. , Epple E. , Eschle J. , Esen S. , Evans T. , Fabiano F. , Falcao L. N. , Fan Y. , Fang B. , Fantini L. , Faria M. , Farmer K. , Fazzini D. , Felkowski L. , Feng M. , Feo M. , Fernandez Casani A. , Fernandez Gomez M. , Fernez A. D. , Ferrari F. , Ferreira Rodrigues F. , Ferrillo M. , Ferro-Luzzi M. , Filippov S. , Fini R. A. , Fiorini M. , Fischer K. L. , Fitzgerald D. S. , Fitzpatrick C. , Fleuret F. , Fontana M. , Foreman L. F. , Forty R. , Foulds-Holt D. , Franco Sevilla M. , Frank M. , Franzoso E. , Frau G. , Frei C. , Friday D. A. , Fu J. , Fuehring Q. , Fujii Y. , Fulghesu T. , Gabriel E. , Galati G. , Galati M. D. , Gallas Torreira A. , Galli D. , Gambetta S. , Gandelman M. , Gandini P. , Ganie B. , Gao H. , Gao R. , Gao Y. , Gao Y. , Gao Y. , Garau M. , Garcia Martin L. M. , Garcia Moreno P. , García Pardiñas J. , Garg K. G. , Garrido L. , Gaspar C. , Geertsema R. E. , Gerken L. L. , Gersabeck E. , Gersabeck M. , Gershon T. , Ghorbanimoghaddam Z. , Giambastiani L. , Giasemis F. I. , Gibson V. , Giemza H. K. , Gilman A. L. , Giovannetti M. , Gioventù A. , Girardey L. , Gironella Gironell P. , Giugliano C. , Giza M. A. , Gkougkousis E. L. , Glaser F. C. , Gligorov V. V. , Göbel C. , Golobardes E. , Golubkov D. , Golutvin A. , Gomes A. , Gomez Fernandez S. , Goncalves Abrantes F. , Goncerz M. , Gong G. , Gooding J. A. , Gorelov I. V. , Gotti C. , Grabowski J. P. , Granado Cardoso L. A. , Graugés E. , Graverini E. , Grazette L. , Graziani G. , Grecu A. T. , Greeven L. M. , Grieser N. A. , Grillo L. , Gromov S. , Gu C. , Guarise M. , Guittiere M. , Guliaeva V. , Günther P. A. , Guseinov A.-K. , Gushchin E. , Guz Y. , Gys T. , Habermann K. , Hadavizadeh T. , Hadjivasiliou C. , Haefeli G. , Haen C. , Haimberger J. , Hajheidari M. , Hallett G. H. , Halvorsen M. M. , Hamilton P. M. , Hammerich J. , Han Q. , Han X. , Hansmann-Menzemer S. , Hao L. , Harnew N. , Hartmann M. , Hashmi S. , He J. , Hemmer F. , Henderson C. , Henderson R. D. L. , Hennequin A. M. , Hennessy K. , Henry L. , Herd J. , Herrero Gascon P. , Heuel J. , Hicheur A. , Hijano Mendizabal G. , Hill D. , Hollitt S. E. , Horswill J. , Hou R. , Hou Y. , Howarth N. , Hu J. , Hu J. , Hu W. , Hu X. , Huang W. , Hulsbergen W. , Hunter R. J. , Hushchyn M. , Hutchcroft D. , Ilin D. , Ilten P. , Inglessi A. , Iniukhin A. , Ishteev A. , Ivshin K. , Jacobsson R. , Jage H. , Jaimes Elles S. J. , Jakobsen S. , Jans E. , Jashal B. K. , Jawahery A. , Jevtic V. , Jiang E. , Jiang X. , Jiang Y. , Jiang Y. J. , John M. , John Rubesh Rajan A. , Johnson D. , Jones C. R. , Jones T. P. , Joshi S. , Jost B. , Juan Castella J. , Jurik N. , Juszczak I. , Kaminaris D. , Kandybei S. , Kane M. , Kang Y. , Kar C. , Karacson M. , Karpenkov D. , Kauniskangas A. , Kautz J. W. , Keizer F. , Kenzie M. , Ketel T. , Khanji B. , Kharisova A. , Kholodenko S. , Khreich G. , Kirn T. , Kirsebom V. S. , Kitouni O. , Klaver S. , Kleijne N. , Klimaszewski K. , Kmiec M. R. , Koliiev S. , Kolk L. , Konoplyannikov A. , Kopciewicz P. , Koppenburg P. , Korolev M. , Kostiuk I. , Kot O. , Kotriakhova S. , Kozachuk A. , Kravchenko P. , Kravchuk L. , Kreps M. , Krokovny P. , Krupa W. , Krzemien W. , Kshyvanskyi O. K. , Kubat J. , Kubis S. , Kucharczyk M. , Kudryavtsev V. , Kulikova E. , Kupsc A. , Kutsenko B. K. , Lacarrere D. , Laguarta Gonzalez P. , Lai A. , Lampis A. , Lancierini D. , Landesa Gomez C. , Lane J. J. , Lane R. , Langenbruch C. , Langer J. , Lantwin O. , Latham T. , Lazzari F. , Lazzeroni C. , Le Gac R. , Lee H. , Lefèvre R. , Leflat A. , Legotin S. , Lehuraux M. , Lemos Cid E. , Leroy O. , Lesiak T. , Leverington B. , Li A. , Li C. , Li H. , Li K. , Li L. , Li P. , Li P.-R. , Li Q. , Li S. , Li T. , Li T. , Li Y. , Li Y. , Lian Z. , Liang X. , Libralon S. , Lin C. , Lin T. , Lindner R. , Lisovskyi V. , Litvinov R. , Liu F. L. , Liu G. , Liu K. , Liu S. , Liu W. , Liu Y. , Liu Y. , Liu Y. L. , Lobo Salvia A. , Loi A. , Lomba Castro J. , Long T. , Lopes J. H. , Lopez Huertas A. , López Soliño S. , Lucarelli C. , Lucchesi D. , Lucio Martinez M. , Lukashenko V. , Luo Y. , Lupato A. , Luppi E. , Lynch K. , Lyu X.-R. , Ma G. M. , Ma R. , Maccolini S. , Machefert F. , Maciuc F. , Mack B. , Mackay I. , Mackey L. M. , Madhan Mohan L. R. , Madurai M. J. , Maevskiy A. , Magdalinski D. , Maisuzenko D. , Majewski M. W. , Malczewski J. J. , Malde S. , Malentacca L. , Malinin A. , Maltsev T. , Manca G. , Mancinelli G. , Mancuso C. , Manera Escalero R. , Manuzzi D. , Marangotto D. , Marchand J. F. , Marchevski R. , Marconi U. , Mariani S. , Marin Benito C. , Marks J. , Marshall A. M. , Martel L. , Martelli G. , Martellotti G. , Martinazzoli L. , Martinelli M. , Martinez Santos D. , Martinez Vidal F. , Massafferri A. , Matev R. , Mathad A. , Matiunin V. , Matteuzzi C. , Mattioli K. R. , Mauri A. , Maurice E. , Mauricio J. , Mayencourt P. , Mazorra de Cos J. , Mazurek M. , McCann M. , Mcconnell L. , McGrath T. H. , McHugh N. T. , McNab A. , McNulty R. , Meadows B. , Meier G. , Melnychuk D. , Meng F. M. , Merk M. , Merli A. , Meyer Garcia L. , Miao D. , Miao H. , Mikhasenko M. , Milanes D. A. , Minotti A. , Minucci E. , Miralles T. , Mitreska B. , Mitzel D. S. , Modak A. , Mohammed R. A. , Moise R. D. , Mokhnenko S. , Mombächer T. , Monk M. , Monteil S. , Morcillo Gomez A. , Morello G. , Morello M. J. , Morgenthaler M. P. , Morris A. B. , Morris A. G. , Mountain R. , Mu H. , Mu Z. M. , Muhammad E. , Muheim F. , Mulder M. , Müller K. , Muñoz-Rojas F. , Murta R. , Naik P. , Nakada T. , Nandakumar R. , Nanut T. , Nasteva I. , Needham M. , Neri N. , Neubert S. , Neufeld N. , Neustroev P. , Nicolini J. , Nicotra D. , Niel E. M. , Nikitin N. , Nogarolli P. , Nogga P. , Nolte N. S. , Normand C. , Novoa Fernandez J. , Nowak G. , Nunez C. , Nur H. N. , Oblakowska-Mucha A. , Obraztsov V. , Oeser T. , Okamura S. , Okhotnikov A. , Okhrimenko O. , Oldeman R. , Oliva F. , Olocco M. , Onderwater C. J. G. , O’Neil R. H. , Osthues D. , Otalora Goicochea J. M. , Owen P. , Oyanguren A. , Ozcelik O. , Padee A. , Padeken K. O. , Pagare B. , Pais P. R. , Pajero T. , Palano A. , Palutan M. , Panshin G. , Paolucci L. , Papanestis A. , Pappagallo M. , Pappalardo L. L. , Pappenheimer C. , Parkes C. , Passalacqua B. , Passaleva G. , Passaro D. , Pastore A. , Patel M. , Patoc J. , Patrignani C. , Paul A. , Pawley C. J. , Pellegrino A. , Peng J. , Pepe Altarelli M. , Perazzini S. , Pereima D. , Pereira Da Costa H. , Pereiro Castro A. , Perret P. , Perro A. , Petridis K. , Petrolini A. , Pfaller J. P. , Pham H. , Pica L. , Piccini M. , Pietrzyk B. , Pietrzyk G. , Pinci D. , Pisani F. , Pizzichemi M. , Placinta V. , Plo Casasus M. , Poeschl T. , Polci F. , Poli Lener M. , Poluektov A. , Polukhina N. , Polyakov I. , Polycarpo E. , Ponce S. , Popov D. , Poslavskii S. , Prasanth K. , Prouve C. , Pugatch V. , Punzi G. , Qasim S. , Qian Q. Q. , Qian W. , Qin N. , Qu S. , Quagliani R. , Rabadan Trejo R. I. , Rademacker J. H. , Rama M. , Ramírez García M. , Ramos De Oliveira V. , Ramos Pernas M. , Rangel M. S. , Ratnikov F. , Raven G. , Rebollo De Miguel M. , Redi F. , Reich J. , Reiss F. , Ren Z. , Resmi P. K. , Ribatti R. , Ricart G. R. , Riccardi D. , Ricciardi S. , Richardson K. , Richardson-Slipper M. , Rinnert K. , Robbe P. , Robertson G. , Rodrigues E. , Rodriguez Fernandez E. , Rodriguez Lopez J. A. , Rodriguez Rodriguez E. , Roensch J. , Rogachev A. , Rogovskiy A. , Rolf D. L. , Roloff P. , Romanovskiy V. , Romero Lamas M. , Romero Vidal A. , Romolini G. , Ronchetti F. , Rong T. , Rotondo M. , Roy S. R. , Rudolph M. S. , Ruiz Diaz M. , Ruiz Fernandez R. A. , Ruiz Vidal J. , Ryzhikov A. , Ryzka J. , Saavedra-Arias J. J. , Saborido Silva J. J. , Sadek R. , Sagidova N. , Sahoo D. , Sahoo N. , Saitta B. , Salomoni M. , Sanchez Gras C. , Sanderswood I. , Santacesaria R. , Santamarina Rios C. , Santimaria M. , Santoro L. , Santovetti E. , Saputi A. , Saranin D. , Sarnatskiy A. , Sarpis G. , Sarpis M. , Satriano C. , Satta A. , Saur M. , Savrina D. , Sazak H. , Scantlebury Smead L. G. , Scarabotto A. , Schael S. , Scherl S. , Schiller M. , Schindler H. , Schmelling M. , Schmidt B. , Schmitt S. , Schmitz H. , Schneider O. , Schopper A. , Schulte N. , Schulte S. , Schune M. H. , Schwemmer R. , Schwering G. , Sciascia B. , Sciuccati A. , Sellam S. , Semennikov A. , Senger T. , Senghi Soares M. , Sergi A. , Serra N. , Sestini L. , Seuthe A. , Shang Y. , Shangase D. M. , Shapkin M. , Sharma R. S. , Shchemerov I. , Shchutska L. , Shears T. , Shekhtman L. , Shen Z. , Sheng S. , Shevchenko V. , Shi B. , Shi Q. , Shimizu Y. , Shmanin E. , Shorkin R. , Shupperd J. D. , Silva Coutinho R. , Simi G. , Simone S. , Skidmore N. , Skwarnicki T. , Slater M. W. , Smallwood J. C. , Smith E. , Smith K. , Smith M. , Snoch A. , Soares Lavra L. , Sokoloff M. D. , Soler F. J. P. , Solomin A. , Solovev A. , Solovyev I. , Song R. , Song Y. , Song Y. , Song Y. S. , Souza De Almeida F. L. , Souza De Paula B. , Spadaro Norella E. , Spedicato E. , Speer J. G. , Spiridenkov E. , Spradlin P. , Sriskaran V. , Stagni F. , Stahl M. , Stahl S. , Stanislaus S. , Stein E. N. , Steinkamp O. , Stenyakin O. , Stevens H. , Strekalina D. , Su Y. , Suljik F. , Sun J. , Sun L. , Sun Y. , Sundfeld D. , Sutcliffe W. , Swallow P. N. , Swystun F. , Szabelski A. , Szumlak T. , Tan Y. , Tat M. D. , Terentev A. , Terzuoli F. , Teubert F. , Thomas E. , Thompson D. J. D. , Tilquin H. , Tisserand V. , T’Jampens S. , Tobin M. , Tomassetti L. , Tonani G. , Tong X. , Torres Machado D. , Toscano L. , Tou D. Y. , Trippl C. , Tuci G. , Tuning N. , Uecker L. H. , Ukleja A. , Unverzagt D. J. , Ursov E. , Usachov A. , Ustyuzhanin A. , Uwer U. , Vagnoni V. , Valenti G. , Valls Canudas N. , Van Hecke H. , van Herwijnen E. , Van Hulse C. B. , Van Laak R. , van Veghel M. , Vasquez G. , Vazquez Gomez R. , Vazquez Regueiro P. , Vázquez Sierra C. , Vecchi S. , Velthuis J. J. , Veltri M. , Venkateswaran A. , Vesterinen M. , Vico Benet D. , Vieites Diaz M. , Vilasis-Cardona X. , Vilella Figueras E. , Villa A. , Vincent P. , Volle F. C. , vom Bruch D. , Voropaev N. , Vos K. , Vouters G. , Vrahas C. , Wagner J. , Walsh J. , Walton E. J. , Wan G. , Wang C. , Wang G. , Wang J. , Wang J. , Wang J. , Wang J. , Wang M. , Wang N. W. , Wang R. , Wang X. , Wang X. , Wang X. W. , Wang Y. , Wang Z. , Wang Z. , Wang Z. , Ward J. A. , Waterlaat M. , Watson N. K. , Websdale D. , Wei Y. , Wendel J. , Westhenry B. D. C. , White C. , Whitehead M. , Whiter E. , Wiederhold A. R. , Wiedner D. , Wilkinson G. , Wilkinson M. K. , Williams M. , Williams M. R. J. , Williams R. , Williams Z. , Wilson F. F. , Wislicki W. , Witek M. , Witola L. , Wong C. P. , Wormser G. , Wotton S. A. , Wu H. , Wu J. , Wu Y. , Wu Z. , Wyllie K. , Xian S. , Xiang Z. , Xie Y. , Xu A. , Xu J. , Xu L. , Xu L. , Xu M. , Xu Z. , Xu Z. , Xu Z. , Yang D. , Yang K. , Yang S. , Yang X. , Yang Y. , Yang Z. , Yang Z. , Yeroshenko V. , Yeung H. , Yin H. , Yu C. Y. , Yu J. , Yuan X. , Yuan Y , Zaffaroni E. , Zavertyaev M. , Zdybal M. , Zeng C. , Zeng M. , Zhang C. , Zhang D. , Zhang J. , Zhang L. , Zhang S. , Zhang S. , Zhang Y. , Zhang Y. Z. , Zhao Y. , Zharkova A. , Zhelezov A. , Zheng S. Z. , Zheng X. Z. , Zheng Y. , Zhou T. , Zhou X. , Zhou Y. , Zhovkovska V. , Zhu L. Z. , Zhu X. , Zhu X. , Zhukov V. , Zhuo J. , Zou Q. , Zuliani D. , Zunica G. 
Published: December 2024

Abstract

The rare electromagnetic J/ψ → μ+μ−μ+μ− decay is observed with a significance greatly exceeding the discovery threshold, using proton-proton collision data collected by the LHCb experiment during 2016–2018 at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 5.4 fb−1. The rate of this decay is measured relative to that of the J/ψ → μ+μ− mode. Using the QED model for the four-muon decay in the efficiency estimation, its branching fraction is determined to be$$ \mathcal{B}\left(J/\psi \to {\mu}^{+}{\mu}^{-}{\mu}^{+}{\mu}^{-}\right)=\left(1.13\pm 0.10\pm 0.05\pm 0.01\right)\times {10}^{-6}, $$
B

J
/
ψ
→

μ
+

μ
−

μ
+

μ
−

=

1.13
±
0.10
±
0.05
±
0.01

×

10

−
6

,

where the uncertainties are statistical, systematic and due to the uncertainty on the branching fraction of the J/ψ → μ+μ− decay.