Observation and measurements of the production of prompt and non-prompt $J/\psi$ mesons in association with a $Z$ boson in $pp$ collisions at $\sqrt{s}= 8$ TeV with the ATLAS detector
G. Aad
(1)
,
S. Albrand
(2)
,
J. Brown
(2)
,
J. Collot
(2)
,
S. Crépé-Renaudin
(2)
,
P.A. Delsart
(2)
,
C. Gabaldon
(2)
,
M.H. Genest
(2)
,
J.Y. Hostachy
(2)
,
F. Ledroit-Guillon
(2)
,
A. Lleres
(2)
,
A. Lucotte
(2)
,
F. Malek
(2)
,
C. Monini
(2)
,
J. Stark
(2)
,
B. Trocmé
(2)
,
M. Wu
(2)
,
G. Rahal
(3)
,
Z. Barnovska
(4)
,
N. Berger
(4)
,
M. Delmastro
(4)
,
L. Di Ciaccio
(4)
,
S. Elles
(4)
,
T. Hryn’ova
(4)
,
S. Jézéquel
(4)
,
H. Keoshkerian
(4)
,
I. Koletsou
(4)
,
R. Lafaye
(4)
,
J. Leveque
(4)
,
V.P. Lombardo
(4)
,
N. Massol
(4)
,
G. Sauvage
(4)
,
E. Sauvan
(4)
,
M. Schwoerer
(4)
,
O. Simard
(4)
,
T. Todorov
(4)
,
I. Wingerter-Seez
(4)
,
L. Alio
,
M. Barbero
,
J. C. Clémens
(1)
,
Y. Coadou
(1)
,
Sara Diglio
(1)
,
F. Djama
(1)
,
L. Feligioni
(1)
,
G.D. Hallewell
(1)
,
D. Hoffmann
(1)
,
F. Hubaut
(1)
,
E. B. F. G. Knoops
(1)
,
E. Le Guirriec
(1)
,
B. Li
(1)
,
D. Madaffari
(1)
,
K. Mochizuki
(1)
,
E. Monnier
(1)
,
S. Muanza
(1)
,
Y. Nagai
(1)
,
P. Pralavorio
(1)
,
A. Rozanov
(1)
,
T. Serre
(1)
,
M. Talby
(1)
,
E. Tiouchichine
(1)
,
S. Tisserant
(1)
,
J. Toth
(1)
,
F. Touchard
(1)
,
M. Ughetto
(1)
,
L. Vacavant
(1)
,
M.K. Ayoub
(5)
,
A. Bassalat
(5)
,
C. Becot
(5)
,
S. Binet
(5)
,
C. Bourdarios
(5)
,
J.B. de Vivie de Regie
(5)
,
D. Delgove
(5)
,
L. Duflot
(5)
,
M. Escalier
(5)
,
L. Fayard
(5)
,
D. Fournier
(5)
,
E.L. Gkougkousis
(5)
,
J.-F. Grivaz
(5)
,
T. Guillemin
(5)
,
F. Hariri
(5)
,
S. Henrot-Versillé
(5)
,
J. Hrivnac
(5)
,
L. Iconomidou-Fayard
(5)
,
M. Kado
(5)
,
A. Lounis
(5)
,
N. Makovec
(5)
,
N. Morange
(5)
,
C. Nellist
(5)
,
L. Poggioli
(5)
,
P. Puzo
(5)
,
A. Renaud
(5)
,
D. Rousseau
(5)
,
G. Rybkin
(5)
,
A.C. Schaffer
(5)
,
E. Scifo
(5)
,
L. Serin
(5)
,
S. Simion
(5)
,
R. Tanaka
(5)
,
H.L. Tran
(5)
,
D. Zerwas
(5)
,
Z. Zhang
(5)
,
Y. Zhao
(5)
G. Aad
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S. Crépé-Renaudin
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M.H. Genest
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J.Y. Hostachy
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F. Ledroit-Guillon
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F. Malek
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B. Trocmé
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N. Berger
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T. Hryn’ova
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S. Jézéquel
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L. Alio
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M. Barbero
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Y. Coadou
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Sara Diglio
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E. Monnier
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J.B. de Vivie de Regie
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S. Henrot-Versillé
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D. Rousseau
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Résumé
The production of a $Z$ boson in association with a $J/\psi$ meson in proton--proton collisions probes the production mechanisms of quarkonium and heavy flavour in association with vector bosons, and allows studies of multiple parton scattering. Using $20.3$ fb$^{-1}$ of data collected with the ATLAS experiment at the LHC, in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=8$ TeV, the first measurement of associated $Z + J/\psi$ production is presented for both prompt and non-prompt $J/\psi$ production, with both signatures having a significance in excess of $5\sigma$. The inclusive production cross-sections for $Z$ boson production (in $\mu^+\mu^-$ or $e^+e^-$ decay modes) in association with prompt and non-prompt $J/\psi(\to\mu^+\mu^-)$ are measured relative to the inclusive production rate of $Z$ bosons in the same fiducial volume to be $(88\pm 16\pm 6) \times 10^{-8}$ and $(157\pm 22\pm 10) \times 10^{-8}$ respectively. Normalised differential production cross-sections are also determined as a function of the $J/\psi$ transverse momentum. The fraction of signal events arising from single and double parton scattering is estimated, and a lower limit of $5.3\ (3.7)$ mb at $68\ (95)$% confidence level is placed on the effective cross-section regulating double parton interactions.