Observation of the Very Rare Σ^{+}→pμ^{+}μ^{-} Decay

Aaij R.;Abdelmotteleb A. S. W.;Abellan Beteta C.;Abudinen 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.;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.;Ataide Da Silva R.;Atzeni M.;Audurier B.;Bacher D.;Bachiller Perea I.;Bachmann S.;Bachmayer M.;Back J. J.;Baladron Rodriguez P.;Balagura V.;Balboni A.;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.;Bartz J.;Bashir S.;Batsukh B.;Battista P. B.;Bay A.;Beck A.;Becker M.;Bedeschi F.;Bediaga I. B.;Behling N. A.;Belin S.;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 I.;Bezshyyko O.;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.;Bonacci R. B.;Bondar N.;Bordelius A.;Borgato F.;Borghi S.;Borsato M.;Borsuk J. T.;Bottalico E.;Bouchiba S. A.;Bovill M.;Bowcock T. J. V.;Boyer A.;Bozzi C.;Brandenburg J. D.;Brea Rodriguez A.;Breer N.;Brodzicka J.;Brossa Gonzalo A.;Brown J.;Brundu D.;Buchanan E.;Buonincontri L.;Burgos Marcos M.;Burke A. T.;Burr C.;Butter J. S.;Buytaert J.;Byczynski W.;Cadeddu S.;Cai H.;Caillet A.;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.;Cattaneo M.;Cavallero G.;Cavallini V.;Celani S.;Cesare S.;Chadwick A. J.;Chahrour I.;Chang H.;Charles M.;Charpentier P.;Chatzianagnostou E.;Chefdeville M.;Chen C.;Chen S.;Chen Z.;Chernov A.;Chernyshenko S.;Chiotopoulos X.;Chobanova V.;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.;Collaviti S.;Collins P.;Colombo T.;Colonna M.;Comerma-Montells A.;Congedo L.;Contu A.;Cooke N.;Coronel C.;Corredoira I.;Correia A.;Corti G.;Cottee Meldrum 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.;d'Argent P.;Darze G.;Davidson A.;Davies J. E.;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.;Dekkers S.;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.;Eschle J.;Esen S.;Evans T.;Fabiano F.;Faghih S.;Falcao L. N.;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.;Firlej M.;Fischer K. L.;Fitzgerald D. S.;Fitzpatrick C.;Fiutowski T.;Fleuret F.;Fontana M.;Foreman L. F.;Forty R.;Foulds-Holt D.;Franco Lima V.;Franco Sevilla M.;Frank M.;Franzoso E.;Frau G.;Frei C.;Friday D. A.;Fu J.;Fuhring 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 T. Q.;Gao Y.;Gao Y.;Garcia Martin L. M.;Garcia Moreno P.;Garcia Pardinas J.;Gardner P.;Garg K. G.;Garrido L.;Gaspar C.;Gavrikov A.;Gerken L. L.;Gersabeck E.;Gersabeck M.;Gershon T.;Ghizzo S.;Ghorbanimoghaddam Z.;Giambastiani L.;Giasemis F. I.;Gibson V.;Giemza H. K.;Gilman A. L.;Giovannetti M.;Gioventu A.;Girardey L.;Giugliano C.;Giza M. A.;Glaser F. C.;Gligorov V. V.;Gobel C.;Golinka-Bezshyyko L.;Golobardes E.;Golubkov D.;Golutvin A.;Gomez Fernandez S.;Gomulka W.;Goncalves Abrantes F.;Goncerz M.;Gong G.;Gooding J. A.;Gorelov I. V.;Gotti C.;Govorkova E.;Grabowski J. P.;Granado Cardoso L. A.;Grauges E.;Graverini E.;Grazette L.;Graziani G.;Grecu A. T.;Greeven L. M.;Grieser N. A.;Grillo L.;Gromov S.;Gu C.;Guarise M.;Guerry L.;Guliaeva V.;Gunther P. A.;Guseinov A. -K.;Gushchin E.;Guz Y.;Gys T.;Habermann K.;Hadavizadeh T.;Hadjivasiliou C.;Haefeli G.;Haen C.;Hallett G.;Hamilton P. M.;Hammerich J.;Han Q.;Han X.;Hansmann-Menzemer S.;Hao L.;Harnew N.;Harris T. H.;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.;Horswill J.;Hou R.;Hou Y.;Howarth N.;Hu J.;Hu W.;Hu X.;Hulsbergen W.;Hunter R. J.;Hushchyn M.;Hutchcroft D.;Idzik M.;Ilin D.;Ilten P.;Inglessi A.;Iniukhin A.;Ishteev A.;Ivshin K.;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.;Kazanecki M. K.;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.;Korchin A.;Korolev M.;Kostiuk I.;Kot O.;Kotriakhova S.;Kozachuk A.;Kravchenko P.;Kravchuk L.;Kreps M.;Krokovny P.;Krupa W.;Krzemien W.;Kshyvanskyi O.;Kubis S.;Kucharczyk M.;Kudryavtsev V.;Kulikova E.;Kupsc A.;Kushnir V.;Kutsenko B.;Kyryllin I.;Lacarrere D.;Laguarta Gonzalez P.;Lai A.;Lampis A.;Lancierini D.;Landesa Gomez C.;Lane J. J.;Lanfranchi G.;Langenbruch C.;Langer J.;Lantwin O.;Latham T.;Lazzari F.;Lazzeroni C.;Le Gac R.;Lee H.;Lefevre R.;Leflat A.;Legotin S.;Lehuraux M.;Lemos Cid E.;Leroy O.;Lesiak T.;Lesser E. D.;Leverington B.;Li A.;Li C.;Li C.;Li H.;Li J.;Li K.;Li L.;Li M.;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.;Linton H.;Lisovskyi V.;Litvinov R.;Liu D.;Liu F. L.;Liu G.;Liu K.;Liu S.;Liu W.;Liu Y.;Liu Y.;Liu Y. L.;Loachamin Ordonez G.;Lobo Salvia A.;Loi A.;Long T.;Lopes J. H.;Lopez Huertas A.;Lopez Solino S.;Lu Q.;Lucarelli C.;Lucchesi D.;Lucio Martinez M.;Luo Y.;Lupato A.;Luppi E.;Lynch K.;Lyu X. -R.;Ma G. M.;Maccolini S.;Machefert F.;Maciuc F.;Mack B.;Mackay I.;Mackey L. M.;Madhan Mohan L. R.;Madurai M. J.;Magdalinski D.;Maisuzenko D.;Malczewski J. J.;Malde S.;Malentacca L.;Malinin A.;Maltsev T.;Manca G.;Mancinelli G.;Mancuso C.;Manera Escalero R.;Manganella F. M.;Manuzzi D.;Marangotto D.;Marchand J. F.;Marchevski R.;Marconi U.;Mariani E.;Mariani S.;Marin Benito C.;Marks J.;Marshall A. M.;Martel L.;Martelli G.;Martellotti G.;Martinazzoli L.;Martinelli M.;Martinez Gomez D.;Martinez Santos D.;Martinez Vidal F.;Martorell I Granollers A.;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.;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.;Moeser L.;Mohammed R. A.;Moise R. D.;Molina Cardenas E. F.;Mombacher T.;Monk M.;Monteil S.;Morcillo Gomez A.;Morello G.;Morello M. J.;Morgenthaler M. P.;Moron J.;Morren W.;Morris A. B.;Morris A. G.;Mountain R.;Mu H.;Mu Z. M.;Muhammad E.;Muheim F.;Mulder M.;Muller K.;Munoz-Rojas F.;Murta R.;Mytrochenko V.;Naik P.;Nakada T.;Nandakumar R.;Nanut T.;Nasteva I.;Needham M.;Nekrasova E.;Neri N.;Neubert S.;Neufeld N.;Neustroev P.;Nicolini J.;Nicotra D.;Niel E. M.;Nikitin N.;Niu Q.;Nogarolli P.;Nogga P.;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.;Paciolla F.;Padee A.;Padeken K. O.;Pagare B.;Pajero T.;Palano A.;Palutan M.;Pan X.;Panebianco S.;Panshin G.;Paolucci L.;Papanestis A.;Pappagallo M.;Pappalardo L. L.;Pappenheimer C.;Parkes C.;Parmar D.;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.;Perrevoort A.;Perro A.;Peters M. J.;Petridis K.;Petrolini A.;Pfaller J. P.;Pham H.;Pica L.;Piccini M.;Piccolo L.;Pietrzyk B.;Pietrzyk G.;Pilato R. N.;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.;Provenzano D.;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.;Ramirez Garcia 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.;Ribalda Galvez M.;Ribatti R.;Ricart G.;Riccardi D.;Ricciardi S.;Richardson K.;Richardson-Slipper M.;Rinnert K.;Robbe P.;Robertson G.;Rodrigues E.;Rodriguez Alvarez A.;Rodriguez Fernandez E.;Rodriguez Lopez J. A.;Rodriguez Rodriguez E.;Roensch J.;Rogachev A.;Rogovskiy A.;Rolf D. L.;Roloff P.;Romanovskiy V.;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.;Saavedra-Arias J. J.;Saborido Silva J. J.;Sadek R.;Sagidova N.;Sahoo D.;Sahoo N.;Saitta B.;Salomoni M.;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.;Sborzacchi F.;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.;Schwering G.;Sciascia B.;Sciuccati A.;Segal I.;Sellam S.;Semennikov A.;Senger T.;Senghi Soares M.;Sergi A.;Serra N.;Sestini L.;Seuthe A.;Sevilla Sanjuan B.;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.;Singha M.;Skidmore N.;Skwarnicki T.;Slater M. W.;Smith E.;Smith K.;Smith M.;Soares Lavra L.;Sokoloff M. D.;Soler F. J. P.;Solomin A.;Solovev A.;Solovyev I.;Sommerfeld N. S.;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.;Stefaniak M.;Stein E. N.;Steinkamp O.;Stenyakin O.;Stevens H.;Strekalina D.;Su Y.;Suljik F.;Sun J.;Sun L.;Sundfeld D.;Sutcliffe W.;Swientek K.;Swystun F.;Szabelski A.;Szumlak T.;Tan Y.;Tang Y.;Tang Y. T.;Tat M. D.;Terentev A.;Terzuoli F.;Teubert F.;Thoma U.;Thomas E.;Thompson D. J. D.;Tilquin H.;Tisserand V.;T'Jampens S.;Tobin M.;Tomassetti L.;Tonani G.;Tong X.;Tork T.;Torres Machado D.;Toscano L.;Tou D. Y.;Trippl C.;Tuci G.;Tuning N.;Uecker L. H.;Ukleja A.;Unverzagt D. J.;Upadhyay A.;Urbach B.;Usachov A.;Ustyuzhanin A.;Uwer U.;Vagnoni V.;Valcarce Cadenas V.;Valenti G.;Valls Canudas N.;van Eldik J.;Van Hecke H.;van Herwijnen E.;Van Hulse C. B.;Van Laak R.;van Veghel M.;Vasquez G.;Vazquez Gomez R.;Vazquez Regueiro P.;Vazquez Sierra C.;Vecchi S.;Velthuis J. J.;Veltri M.;Venkateswaran A.;Verdoglia M.;Vesterinen M.;Vico Benet D.;Vidrier Villalba P.;Vieites Diaz M.;Vilasis-Cardona X.;Vilella Figueras E.;Villa A.;Vincent P.;Vivacqua B.;Volle F. C.;Vom Bruch D.;Voropaev N.;Vos K.;Vrahas C.;Wagner J.;Walsh J.;Walton E. J.;Wan G.;Wang A.;Wang C.;Wang G.;Wang H.;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 Y.;Wang Y. W.;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. J.;Williams M. R. J.;Williams R.;Williams Z.;Wilson F. F.;Winn M.;Wislicki W.;Witek M.;Witola L.;Wormser G.;Wotton S. A.;Wu H.;Wu J.;Wu X.;Wu Y.;Wu Z.;Wyllie K.;Xian S.;Xiang Z.;Xie Y.;Xing T. X.;Xu A.;Xu L.;Xu M.;Xu Z.;Xu Z.;Xu Z.;Yang K.;Yang X.;Yang Y.;Yang Z.;Yeroshenko V.;Yeung H.;Yin H.;Yin X.;Yu C. Y.;Yu J.;Yuan X.;Yuan Y.;Zaffaroni E.;Zavertyaev M.;Zdybal M.;Zenesini F.;Zeng C.;Zeng M.;Zhang C.;Zhang D.;Zhang J.;Zhang L.;Zhang R.;Zhang S.;Zhang S.;Zhang Y.;Zhang Y. Z.;Zhang Z.;Zhao Y.;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.;Zhu Y.;Zhukov V.;Zhuo J.;Zou Q.;Zuliani D.;Zunica G.

2025-01-01

---

Abstract

The first observation of the Σ^{+}→pμ^{+}μ^{-} decay is reported with high significance using proton-proton collision data, corresponding to an integrated luminosity of 5.4  fb^{-1}, collected with the LHCb detector at a center-of-mass energy of 13 TeV. A yield of 237±16  Σ^{+}→pμ^{+}μ^{-} decays is obtained, where the uncertainty is statistical only. A branching fraction of (1.08±0.17)×10^{-8} is measured, where the uncertainty includes statistical and systematic sources. No evidence of resonant structures is found in the dimuon invariant-mass distribution. All results are compatible with standard model expectations. This represents the rarest decay of a baryon ever observed.