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Title: Search for phenomena beyond the Standard Model in events with large b-jet multiplicity using the ATLAS detector at the LHC
Abstract A search is presented for new phenomena in events characterised by high jet multiplicity, no leptons (electrons or muons), and four or more jets originating from the fragmentation of b -quarks ( b -jets). The search uses $$139~\hbox {fb}^{-1}$$ 139 fb - 1 of $$\sqrt{s}$$ s = 13 TeV proton–proton collision data collected by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider during Run 2. The dominant Standard Model background originates from multijet production and is estimated using a data-driven technique based on an extrapolation from events with low b -jet multiplicity to the high b -jet multiplicities used in the search. No significant excess over the Standard Model expectation is observed and 95% confidence-level limits that constrain simplified models of R-parity-violating supersymmetry are determined. The exclusion limits reach 950 GeV in top-squark mass in the models considered.  more » « less
Award ID(s):
1812377
NSF-PAR ID:
10227236
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
81
Issue:
1
ISSN:
1434-6044
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. 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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  2. A bstract The production of dark matter in association with Higgs bosons is predicted in several extensions of the Standard Model. An exploration of such scenarios is presented, considering final states with missing transverse momentum and b -tagged jets consistent with a Higgs boson. The analysis uses proton-proton collision data at a centre-of-mass energy of 13 TeV recorded by the ATLAS experiment at the LHC during Run 2, amounting to an integrated luminosity of 139 fb − 1 . The analysis, when compared with previous searches, benefits from a larger dataset, but also has further improvements providing sensitivity to a wider spectrum of signal scenarios. These improvements include both an optimised event selection and advances in the object identification, such as the use of the likelihood-based significance of the missing transverse momentum and variable-radius track-jets. No significant deviation from Standard Model expectations is observed. Limits are set, at 95% confidence level, in two benchmark models with two Higgs doublets extended by either a heavy vector boson Z ′ or a pseudoscalar singlet a and which both provide a dark matter candidate χ . In the case of the two-Higgs-doublet model with an additional vector boson Z ′, the observed limits extend up to a Z ′ mass of 3 TeV for a mass of 100 GeV for the dark matter candidate. The two-Higgs-doublet model with a dark matter particle mass of 10 GeV and an additional pseudoscalar a is excluded for masses of the a up to 520 GeV and 240 GeV for tan β = 1 and tan β = 10 respectively. Limits on the visible cross-sections are set and range from to 0.05 fb to 3.26 fb, depending on the missing transverse momentum and b -quark jet multiplicity requirements. 
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  3. Abstract

    A search for pair-produced vector-like quarks using events with exactly one lepton (eor$$\mu $$μ), at least four jets including at least oneb-tagged jet, and large missing transverse momentum is presented. Data from proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of$$\sqrt{s}=$$s=13 $$\text {TeV}$$TeV, recorded by the ATLAS detector at the LHC from 2015 to 2018 and corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$$^{-1}$$-1, are analysed. Vector-like partnersTandBof the top and bottom quarks are considered, as is a vector-likeXwith charge$$+5/3$$+5/3, assuming their decay into aW,Z, or Higgs boson and a third-generation quark. No significant deviations from the Standard Model expectation are observed. Upper limits on the production cross-section ofTandBquark pairs as a function of their mass are derived for various decay branching ratio scenarios. The strongest lower limits on the masses are 1.59 $$\text {TeV}$$TeVassuming mass-degenerate vector-like quarks and branching ratios corresponding to the weak-isospin doublet model, and 1.47 $$\text {TeV}$$TeV(1.46 $$\text {TeV}$$TeV) for exclusive$$T \rightarrow Zt$$TZt($$B/X \rightarrow Wt$$B/XWt) decays. In addition, lower limits on theTandBquark masses are derived for all possible branching ratios.

     
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  4. Abstract

    This paper presents a search for dark matter,$$\chi $$χ, using events with a single top quark and an energeticWboson. The analysis is based on proton–proton collision data collected with the ATLAS experiment at$$\sqrt{s}=$$s=13 TeV during LHC Run 2 (2015–2018), corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$$^{-1}$$-1. The search considers final states with zero or one charged lepton (electron or muon), at least oneb-jet and large missing transverse momentum. In addition, a result from a previous search considering two-charged-lepton final states is included in the interpretation of the results. The data are found to be in good agreement with the Standard Model predictions and the results are interpreted in terms of 95% confidence-level exclusion limits in the context of a class of dark matter models involving an extended two-Higgs-doublet sector together with a pseudoscalar mediator particle. The search is particularly sensitive to on-shell production of the charged Higgs boson state,$$H^{\pm }$$H±, arising from the two-Higgs-doublet mixing, and its semi-invisible decays via the mediator particle,a:$$H^{\pm } \rightarrow W^\pm a (\rightarrow \chi \chi )$$H±W±a(χχ). Signal models with$$H^{\pm }$$H±masses up to 1.5 TeV andamasses up to 350 GeV are excluded assuming a$$\tan \beta $$tanβvalue of 1. For masses ofaof 150 (250) GeV,$$\tan \beta $$tanβvalues up to 2 are excluded for$$H^{\pm }$$H±masses between 200 (400) GeV and 1.5 TeV. Signals with$$\tan \beta $$tanβvalues between 20 and 30 are excluded for$$H^{\pm }$$H±masses between 500 and 800 GeV.

     
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  5. A bstract A search for Higgs boson pair production in events with two b -jets and two τ -leptons is presented, using a proton–proton collision dataset with an integrated luminosity of 139 fb − 1 collected at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV by the ATLAS experiment at the LHC. Higgs boson pairs produced non-resonantly or in the decay of a narrow scalar resonance in the mass range from 251 to 1600 GeV are targeted. Events in which at least one τ -lepton decays hadronically are considered, and multivariate discriminants are used to reject the backgrounds. No significant excess of events above the expected background is observed in the non-resonant search. The largest excess in the resonant search is observed at a resonance mass of 1 TeV, with a local (global) significance of 3 . 1 σ (2 . 0 σ ). Observed (expected) 95% confidence-level upper limits are set on the non-resonant Higgs boson pair-production cross-section at 4.7 (3.9) times the Standard Model prediction, assuming Standard Model kinematics, and on the resonant Higgs boson pair-production cross-section at between 21 and 900 fb (12 and 840 fb), depending on the mass of the narrow scalar resonance. 
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