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Title: Search for pair production of scalar leptoquarks decaying into first- or second-generation leptons and top quarks in proton–proton collisions at $$\sqrt{s}$$ = 13 TeV with the ATLAS detector
Abstract A search for pair production of scalar leptoquarks, each decaying into either an electron or a muon and a top quark, is presented. This is the first leptoquark search using ATLAS data to investigate top-philic cross-generational couplings that could provide explanations for recently observed anomalies in B meson decays. This analysis targets high leptoquark masses which cause the decay products of each resultant top quark to be contained within a single high- $$p_{\mathrm {T}}$$ p T large-radius jet. The full Run 2 dataset is exploited, consisting of $$139~\hbox {fb}^{-1}$$ 139 fb - 1 of data collected from proton–proton collisions at $$\sqrt{s}=13~\mathrm {TeV}$$ s = 13 TeV from 2015 to 2018 with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. In the absence of any significant deviation from the background expectation, lower limits on the leptoquark masses are set at $$1480~\mathrm {GeV}$$ 1480 GeV and $$1470~\mathrm {GeV}$$ 1470 GeV for the electron and muon channel, respectively.  more » « less
Award ID(s):
1812377
PAR ID:
10227216
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
81
Issue:
4
ISSN:
1434-6044
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. null (Ed.)
    Abstract A search for direct pair production of scalar partners of the top quark (top squarks or scalar third-generation up-type leptoquarks) in the all-hadronic $$t{\bar{t}}$$ t t ¯ plus missing transverse momentum final state is presented. The analysis of 139  $$\hbox {fb}^{-1}$$ fb - 1 of $${\sqrt{s}=13}$$ s = 13  TeV proton–proton collision data collected using the ATLAS detector at the LHC yields no significant excess over the Standard Model background expectation. To interpret the results, a supersymmetric model is used where the top squark decays via $${\tilde{t}} \rightarrow t^{(*)} {\tilde{\chi }}^0_1$$ t ~ → t ( ∗ ) χ ~ 1 0 , with $$t^{(*)}$$ t ( ∗ ) denoting an on-shell (off-shell) top quark and $${\tilde{\chi }}^0_1$$ χ ~ 1 0 the lightest neutralino. Three specific event selections are optimised for the following scenarios. In the scenario where $$m_{{\tilde{t}}}> m_t+m_{{\tilde{\chi }}^0_1}$$ m t ~ > m t + m χ ~ 1 0 , top squark masses are excluded in the range 400–1250 GeV for $${\tilde{\chi }}^0_1$$ χ ~ 1 0 masses below 200 GeV at 95% confidence level. In the situation where $$m_{{\tilde{t}}}\sim m_t+m_{{\tilde{\chi }}^0_1}$$ m t ~ ∼ m t + m χ ~ 1 0 , top squark masses in the range 300–630 GeV are excluded, while in the case where $$m_{{\tilde{t}}}< m_W+m_b+m_{{\tilde{\chi }}^0_1}$$ m t ~ < m W + m b + m χ ~ 1 0 (with $$m_{{\tilde{t}}}-m_{{\tilde{\chi }}^0_1}\ge 5$$ m t ~ - m χ ~ 1 0 ≥ 5  GeV), considered for the first time in an ATLAS all-hadronic search, top squark masses in the range 300–660 GeV are excluded. Limits are also set for scalar third-generation up-type leptoquarks, excluding leptoquarks with masses below 1240 GeV when considering only leptoquark decays into a top quark and a neutrino. 
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  2. null (Ed.)
    A bstract A search for new-physics resonances decaying into a lepton and a jet performed by the ATLAS experiment is presented. Scalar leptoquarks pair-produced in pp collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV at the Large Hadron Collider are considered using an integrated luminosity of 139 fb − 1 , corresponding to the full Run 2 dataset. They are searched for in events with two electrons or two muons and two or more jets, including jets identified as arising from the fragmentation of c - or b -quarks. The observed yield in each channel is consistent with the Standard Model background expectation. Leptoquarks with masses below 1.8 TeV and 1.7 TeV are excluded in the electron and muon channels, respectively, assuming a branching ratio into a charged lepton and a quark of 100%, with minimal dependence on the quark flavour. Upper limits on the aforementioned branching ratio are also given as a function of the leptoquark mass. 
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  3. A bstract A search for the electroweak production of a vector-like quark T′, decaying to a top quark and a Higgs boson is presented. The search is based on a sample of proton-proton collision events recorded at the LHC at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . This is the first T′ search that exploits the Higgs boson decay to a pair of photons. For narrow isospin singlet T′ states with masses up to 1.1 TeV, the excellent diphoton invariant mass resolution of 1–2% results in an increased sensitivity compared to previous searches based on the same production mechanism. The electroweak production of a T′ quark with mass up to 960 GeV is excluded at 95% confidence level, assuming a coupling strength κ T = 0 . 25 and a relative decay width Γ /M T′ < 5%. 
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  4. Abstract A search for R-parity-violating supersymmetry in final states characterized by high jet multiplicity, at least one isolated light lepton and either zero or at least three b -tagged jets is presented. The search uses $${139}\,{\text {fb}^{-1}}$$ 139 fb - 1 of $$\sqrt{s} = {13}\hbox { TeV}$$ s = 13 TeV proton–proton collision data collected by the ATLAS experiment during Run 2 of the Large Hadron Collider. The results are interpreted in the context of R-parity-violating supersymmetry models that feature gluino production, top-squark production, or electroweakino production. The dominant sources of background are estimated using a data-driven model, based on observables at medium jet multiplicity, to predict the b -tagged jet multiplicity distribution at the higher jet multiplicities used in the search. Machine-learning techniques are used to reach sensitivity to electroweakino production, extending the data-driven background estimation to the shape of the machine-learning discriminant. No significant excess over the Standard Model expectation is observed and exclusion limits at the 95% confidence level are extracted, reaching as high as 2.4 TeV in gluino mass, 1.35 TeV in top-squark mass, and 320 (365) GeV in higgsino (wino) mass. 
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  5. null (Ed.)
    A bstract A search for new phenomena with top quark pairs in final states with one isolated electron or muon, multiple jets, and large missing transverse momentum is performed. Signal regions are designed to search for two-, three-, and four-body decays of the directly pair-produced supersymmetric partner of the top quark (stop). Additional signal regions are designed specifically to search for spin-0 mediators that are produced in association with a pair of top quarks and decay into a pair of dark-matter particles. The search is performed using the Large Hadron Collider proton-proton collision dataset at a centre-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV recorded by the ATLAS detector from 2015 to 2018, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb − 1 . No significant excess above the Standard Model background is observed, and limits at 95% confidence level are set in the stop-neutralino mass plane and as a function of the mediator mass or the dark-matter particle mass. Stops are excluded up to 1200 GeV (710 GeV) in the two-body (three-body) decay scenario. In the four-body scenario stops up to 640 GeV are excluded for a stop-neutralino mass difference of 60 GeV. Scalar and pseudoscalar dark-matter mediators are excluded up to 200 GeV when the coupling strengths of the mediator to Standard Model and dark-matter particles are both equal to one and when the mass of the dark-matter particle is 1 GeV. 
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