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Title: Constraints on mediator-based dark matter and scalar dark energy models using s $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV pp collision data collected by the ATLAS detector
Award ID(s):
1806738 1707981
PAR ID:
10095810
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2019
Issue:
5
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract This paper reports a summary of searches for a fermionic dark matter candidate in the context of theoretical models characterised by a mediator particle exchange in thes-channel. The data sample considered consists ofppcollisions delivered by the Large Hadron Collider during its Run 2 at a centre-of-mass energy of$$\sqrt{s} = 13\,\textrm{TeV}$$ s = 13 TeV and recorded by the ATLAS detector, corresponding to up to 140 fb$$^{-1}$$ - 1 . The interpretations of the results are based on simplified models where the new mediator particles can be spin-0, with scalar or pseudo-scalar couplings to fermions, or spin-1, with vector or axial-vector couplings to fermions. Exclusion limits are obtained from various searches characterised by final states with resonant production of Standard Model particles, or production of Standard Model particles in association with large missing transverse momentum. 
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  2. A<sc>bstract</sc> A search for “emerging jets” produced in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV is performed using data collected by the CMS experiment corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. This search examines a hypothetical dark quantum chromodynamics (QCD) sector that couples to the standard model (SM) through a scalar mediator. The scalar mediator decays into an SM quark and a dark sector quark. As the dark sector quark showers and hadronizes, it produces long-lived dark mesons that subsequently decay into SM particles, resulting in a jet, known as an emerging jet, with multiple displaced vertices. This search looks for pair production of the scalar mediator at the LHC, which yields events with two SM jets and two emerging jets at leading order. The results are interpreted using two dark sector models with different flavor structures, and exclude mediator masses up to 1950 (1950) GeV for an unflavored (flavor-aligned) dark QCD model. The unflavored results surpass a previous search for emerging jets by setting the most stringent mediator mass exclusion limits to date, while the flavor-aligned results provide the first direct mediator mass exclusion limits to date. 
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  3. A<sc>bstract</sc> We consider cosmological aspects of the Dark Dimension (a mesoscopic dimension of micron scale), which has recently been proposed as the unique corner of the quantum gravity landscape consistent with both the Swampland criteria and observations. In particular we show how this leads, by the universal coupling of the Standard Model sector to bulk gravitons, to massive spin 2 KK excitations of the graviton in the dark dimension (the “dark gravitons”) as an unavoidable dark matter candidate. Assuming a lifetime for the current de Sitter phase of our universe of order Hubble, which follows from both the dS Swampland Conjecture and TCC, we show that generic features of the dark dimension cosmology can naturally lead to the correct dark matter density and a resolution of the cosmological coincidence problem, where the matter/radiation equality temperature (T~ 1 eV) coincides with the temperature where the dark energy begins to dominate. Thus one does not need to appeal to Weinberg’s anthropic argument to explain this coincidence. The dark gravitons are produced atT~ 4 GeV, and their composition changes as they mainly decay to lighter gravitons, without losing much total mass density. The mass of dark gravitons ismDM∼ 1 − 100 keV today. 
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  4. A search is performed for dark matter particles produced in association with a resonantly produced pair of b-quarks with 30 < mbb < 150 GeV using 140 fb−1 of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV recorded by the ATLAS detector at the LHC. This signature is expected in extensions of the standard model predicting the production of dark matter particles, in particular those containing a dark Higgs boson s that decays into bb¯. The highly boosted s → bb¯ topology is reconstructed using jet reclustering and a new identification algorithm. This search places stringent constraints across regions of the dark Higgs model parameter space that satisfy the observed relic density, excluding dark Higgs bosons with masses between 30 and 150 GeV in benchmark scenarios with Z0 mediator masses up to 4.8 TeV at 95% confidence level. 
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  5. null (Ed.)