First Search for Exotic Z Boson Decays into Photons and Neutral Pions in Hadron Collisions

Aaltonen, T.; Amerio, Silvia; Amidei, D.; Anastassov, A.; Annovi, A.; Antos, J.; Apollinari, G.; Appel, J. A.; Arisawa, T.; Artikov, A.; Asaadi, J.; Ashmanskas, W.; Auerbach, B.; Aurisano, A.; Azfar, F.; Badgett, W.; Bae, T.; Barbaro Galtieri, A.; Barnes, V. E.; Barnett, B. A.; Barria, P.; Bartos, P.; Bauce, M.; Bedeschi, F.; Behari, S.; Bellettini, G.; Bellinger, J.; Benjamin, D.; Beretvas, A.; Bhatti, A.; Bland, K. R.; Blumenfeld, B.; Bocci, A.; Bodek, A.; Bortoletto, D.; Boudreau, J.; Boveia, A.; Brigliadori, L.; Bromberg, C.; Brucken, E.; Budagov, J.; Budd, H. S.; Burkett, K.; Busetto, Giovanni; Bussey, P.; Butti, P.; Buzatu, A.; Calamba, A.; Camarda, S.; Campanelli, M.; Canelli, F.; Carls, B.; Carlsmith, D.; Carosi, R.; Carrillo, S.; Casal, B.; Casarsa, M.; Castro, A.; Catastini, P.; Cauz, D.; Cavaliere, V.; Cavalli Sforza, M.; Cerri, A.; Cerrito, L.; Chen, Y. C.; Chertok, M.; Chiarelli, G.; Chlachidze, G.; Cho, K.; Chokheli, D.; Clark, A.; Clarke, C.; Convery, M. E.; Conway, J.; Corbo, M.; Cordelli, M.; Cox, C. A.; Cox, D. J.; Cremonesi, M.; Cruz, D.; Cuevas, J.; Culbertson, R.; D'Ascenzo, N.; Datta, M.; Barbaro, P. d.; Demortier, L.; Deninno, M.; D'Errico, M.; Devoto, F.; Canto, A. D.; Ruzza, B. D.; Dittmann, J. R.; Donati, S.; D'Onofrio, M.; Dorigo, M.; Driutti, A.; Ebina, K.; Edgar, R.; Elagin, A.; Erbacher, R.; Errede, S.; Esham, B.; Farrington, S.; J. P. F.,; Field, R.; Flanagan, G.; Forrest, R.; Franklin, M.; Freeman, J. C.; Frisch, H.; Funakoshi, Y.; Galloni, C.; Garfinkel, A. F.; Garosi, P.; Gerberich, H.; Gerchtein, E.; Giagu, S.; Giakoumopoulou, V.; Gibson, K.; Ginsburg, C. M.; Giokaris, N.; Giromini, P.; Giurgiu, G.; Glagolev, V.; Glenzinski, D.; Gold, M.; Goldin, D.; Golossanov, A.; Gomez, G.; Gomez Ceballos, G.; Goncharov, M.; Lopez, O. G.; Gorelov, I.; Goshaw, A. T.; Goulianos, K.; Gramellini, E.; Grinstein, S.; Grosso Pilcher, C.; Group, R. C.; J. G., Da; Hahn, S. R.; Han, J. Y.; Happacher, F.; Hara, K.; Hare, M.; Harr, R. F.; Harrington Taber, T.; Hatakeyama, K.; Hays, C.; Heinrich, J.; Herndon, M.; Hocker, A.; Hong, Z.; Hopkins, W.; Hou, S.; Hughes, R. E.; Husemann, U.; Hussein, M.; Huston, J.; Introzzi, G.; Iori, M.; Ivanov, A.; James, E.; Jang, D.; Jayatilaka, B.; Jeon, E. J.; Jindariani, S.; Jones, M.; Joo, K. K.; Jun, S. Y.; Junk, T. R.; Kambeitz, M.; Kamon, T.; Karchin, P. E.; Kasmi, A.; Kato, Y.; Ketchum, W.; Keung, J.; Kilminster, B.; Kim, D. H.; Kim, H. S.; Kim, J. E.; Kim, M. J.; Kim, S. H.; Kim, S. B.; Kim, Y. J.; Kim, Y. K.; Kimura, N.; Kirby, M.; Knoepfel, K.; Kondo, K.; Kong, D. J.; Konigsberg, J.; Kotwal, A. V.; Kreps, M.; Kroll, J.; Kruse, M.; Kuhr, T.; Kurata, M.; Laasanen, A. T.; Lammel, S.; Lancaster, M.; Lannon, K.; Latino, G.; Lee, H. S.; Lee, J. S.; Leo, S.; Leone, S.; Lewis, J. D.; Limosani, A.; Lipeles, E.; Lister, A.; Liu, H.; Liu, Q.; Liu, T.; Lockwitz, S.; Loginov, A.; Lucchesi, Donatella; Luca, A.; Lueck, J.; Lujan, P.; Lukens, P.; Lungu, G.; Lys, J.; Lysak, R.; Madrak, R.; Maestro, P.; Malik, S.; Manca, G.; Manousakis Katsikakis, A.; Marchese, L.; Margaroli, F.; Marino, P.; Martinez, M.; Matera, K.; Mattson, M. E.; Mazzacane, A.; Mazzanti, P.; Mcnulty, R.; Mehta, A.; Mehtala, P.; Mesropian, C.; Miao, T.; Mietlicki, D.; Mitra, A.; Miyake, H.; Moed, S.; Moggi, N.; Moon, C. S.; Moore, R.; Morello, M. J.; Mukherjee, A.; Muller, T.; Murat, P.; Mussini, M.; Nachtman, J.; Nagai, Y.; Naganoma, J.; Nakano, I.; Napier, A.; Nett, J.; Neu, C.; Nigmanov, T.; Nodulman, L.; Noh, S. Y.; Norniella, O.; Oakes, L.; S. H., Oh; Y. D., Oh; Oksuzian, I.; Okusawa, T.; Orava, R.; Ortolan, L.; Pagliarone, C.; Palencia, E.; Palni, P.; Papadimitriou, V.; Parker, W.; Pauletta, G.; Paulini, M.; Paus, C.; Phillips, T. J.; Piacentino, G.; Pianori, E.; Pilot, J.; Pitts, K.; Plager, C.; Pondrom, L.; Poprocki, S.; Potamianos, K.; Pranko, A.; Prokoshin, F.; Ptohos, F.; Punzi, G.; Ranjan, N.; Fernandez, I. R.; Renton, P.; Rescigno, M.; Rimondi, F.; Ristori, L.; Robson, A.; Rodriguez, T.; Rolli, S.; Ronzani, M.; Roser, R.; Rosner, J. L.; Ruffini, F.; Ruiz, A.; Russ, J.; Rusu, V.; Sakumoto, W. K.; Sakurai, Y.; Santi, L.; Sato, K.; Saveliev, V.; Savoy Navarro, A.; Schlabach, P.; Schmidt, E. E.; Schwarz, T.; Scodellaro, L.; Scuri, F.; Seidel, S.; Seiya, Y.; Semenov, A.; Sforza, F.; Shalhout, S. Z.; Shears, T.; Shepard, P. F.; Shimojima, M.; Shochet, M.; Shreyber Tecker, I.; Simonenko, A.; Sliwa, K.; Smith, J. R.; Snider, F. D.; Song, H.; Sorin, V.; Denis, R. S.; Stancari, M.; Stentz, D.; Strologas, J.; Sudo, Y.; Sukhanov, A.; Suslov, I.; Takemasa, K.; Takeuchi, Y.; Tang, J.; Tecchio, M.; Teng, P. K.; Thom, J.; Thomson, E.; Thukral, V.; Toback, D.; Tokar, S.; Tollefson, K.; Tomura, T.; Tonelli, D.; Torre, S.; Torretta, D.; Totaro, P.; Trovato, M.; Ukegawa, F.; Uozumi, S.; Vazquez, F.; Velev, G.; Vellidis, C.; Vernieri, C.; Vidal, M.; Vilar, R.; Vizan, J.; Vogel, M.; Volpi, G.; Wagner, P.; Wallny, R.; Wang, S. M.; Waters, D.; Wester, W. C.; Whiteson, D.; Wicklund, A. B.; Wilbur, S.; Williams, H. H.; Wilson, J. S.; Wilson, P.; Winer, B. L.; Wittich, P.; Wolbers, S.; Wolfe, H.; Wright, T.; Wu, X.; Wu, Z.; Yamamoto, K.; Yamato, D.; Yang, T.; Yang, U. K.; Yang, Y. C.; Yao, W. M.; Yeh, G. P.; Yi, K.; Yoh, J.; Yorita, K.; Yoshida, T.; G. B., Yu; Yu, I.; Zanetti, A. M.; Zeng, Y.; Zhou, C.; Zucchelli, S.

doi:10.1103/PhysRevLett.112.111803

A search for forbidden and exotic Z boson decays in the diphoton mass spectrum is presented for the first time in hadron collisions, based on data corresponding to 10.0 fb(-1) of integrated luminosity from proton-antiproton collisions at root s = 1.96 TeV collected by the CDF experiment. No evidence of signal is observed, and 95% credibility level Bayesian upper limits are set on the branching ratios of decays of the Z boson to a photon and neutral pion (which is detected as a photon), a pair of photons, and a pair of neutral pions. The observed branching ratio limits are 2.01 x 10(-5) for Z -> pi(0)gamma, 1.46 x 10(-5) for Z -> gamma gamma, and 1.52 x 10(-5) for Z -> pi(0)pi(0). The Z -> pi(0)gamma and Z -> gamma gamma limits improve the most stringent results from other experiments by factors of 2.6 and 3.6, respectively. The Z -> pi(0)pi(0) branching ratio limit is the first experimental result on this decay.