Measurement of the $$\mathrm {Z}/\gamma ^{*} \rightarrow \tau \tau $$ Z / γ ∗ → τ τ cross section in pp collisions at $$\sqrt{s} = 13 \hbox { TeV}$$ s = 13 TeV and validation of $$\tau $$ τ lepton analysis techniques

Abstract

A measurement is presented of the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msup><mml:mi>γ</mml:mi> <mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mo>∗</mml:mo></mml:mrow> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mi>τ</mml:mi></mml:mrow> </mml:math> cross section in <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mtext>pp</mml:mtext></mml:math> 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>13</mml:mn> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:mtext>TeV</mml:mtext></mml:mrow> </mml:math> , using data recorded by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>2.3</mml:mn> <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> . The product of the inclusive cross section and branching fraction is measured to be <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi> <mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo> <mml:mtext>pp</mml:mtext> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mi>Z</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msup><mml:mi>γ</mml:mi> <mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mo>∗</mml:mo></mml:mrow> </mml:msup> <mml:mtext>+X</mml:mtext> <mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>Z</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msup><mml:mi>γ</mml:mi> <mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mo>∗</mml:mo></mml:mrow> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>1848</mml:mn> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>12</mml:mn> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo> <mml:mtext>stat</mml:mtext> <mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>67</mml:mn> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:mtext>(syst \,+\,lumi) pb</mml:mtext></mml:mrow> </mml:math> , in agreement with the standard model expectation, computed at next-to-next-to-leading order accuracy in perturbative quantum chromodynamics. The measurement is used to validate new analysis techniques relevant for future measurements of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi>τ</mml:mi></mml:math> lepton production. The measurement also provides the reconstruction efficiency and energy scale for <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi>τ</mml:mi></mml:math> decays to hadrons <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mspace></mml:mspace> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:msub><mml:mi>ν</mml:mi> <mml:mi>τ</mml:mi></mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> final states, determined with respective relative uncertainties of 2.2 and 0.9%.