Search for rare decays of $$\mathrm {Z}$$ Z and Higgs bosons to $${\mathrm {J}/\psi } $$ J / ψ and a photon in proton-proton collisions at $$\sqrt{s}$$ s = 13 $$\,\text {TeV}$$ TeV (2019)

A search is presented for decays of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi>Z</mml:mi></mml:math> and Higgs bosons to a <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow> </mml:math> meson and a photon, with the subsequent decay of the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow> </mml:math> to <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:msup><mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo></mml:msup> <mml:msup><mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo></mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> . The analysis uses data from proton-proton collisions with an integrated luminosity of 35.9 <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mspace></mml:mspace> <mml:msup><mml:mtext>fb</mml:mtext> <mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> at <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>s</mml:mi></mml:msqrt> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>13</mml:mn> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:mtext>TeV</mml:mtext></mml:mrow> </mml:math> collected with the CMS detector at the LHC. The observed limit on the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow> <mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow> </mml:math> decay branching fraction, assuming that the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow> </mml:math> meson is produced unpolarized, is <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>1.4</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup><mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> at 95% confidence level, which corresponds to a rate higher than expected in the standard model by a factor of 15. For extreme-polarization scenarios, the observed limit changes from <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>13.6</mml:mn></mml:mrow> </mml:math> to <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>8.6</mml:mn> <mml:mo>%</mml:mo></mml:mrow> </mml:math> with respect to the unpolarized scenario. The observed upper limit on the branching fraction for <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow> <mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow> </mml:math> where the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow> </mml:math> meson is assumed to be transversely polarized is <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>7.6</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup><mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> , a factor of 260 larger than the standard model prediction. The results for the Higgs boson are combined with previous data from proton-proton collisions at <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>s</mml:mi></mml:msqrt> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>8</mml:mn> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:mtext>TeV</mml:mtext></mml:mrow> </mml:math> to produce an observed upper limit on the branching fraction for <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow> <mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow> </mml:math> that is a factor of 220 larger than the standard model value.