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Title: Search for new non-resonant phenomena in high-mass dilepton final states with the ATLAS detector
A bstract A search for new physics with non-resonant signals in dielectron and dimuon final states in the mass range above 2 TeV is presented. This is the first search for non-resonant signals in dilepton final states at the LHC to use a background estimate from the data. The data, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb − 1 , were recorded by the ATLAS experiment in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV during Run 2 of the Large Hadron Collider. The benchmark signal signature is a two-quark and two-lepton contact interaction, which would enhance the dilepton event rate at the TeV mass scale. To model the contribution from background processes a functional form is fit to the dilepton invariant-mass spectra in data in a mass region below the region of interest. It is then extrapolated to a high-mass signal region to obtain the expected background there. No significant deviation from the expected background is observed in the data. Upper limits at 95% CL on the number of events and the visible cross-section times branching fraction for processes involving new physics are provided. Observed (expected) 95% CL lower limits on the contact interaction energy scale reach 35.8 (37.6) TeV.  more » « less
Award ID(s):
1812377
NSF-PAR ID:
10227253
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2020
Issue:
11
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract

    This paper reports a search for Higgs boson pair (hh) production in association with a vector boson ($$W\; {\text {o}r}\; Z$$WorZ) using 139 fb$$^{-1}$$-1of proton–proton collision data at$$\sqrt{s}=13\,\text {TeV}$$s=13TeVrecorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The search is performed in final states in which the vector boson decays leptonically ($$W\rightarrow \ell \nu ,\, Z\rightarrow \ell \ell ,\nu \nu $$Wν,Z,ννwith$$\ell =e, \mu $$=e,μ) and the Higgs bosons each decay into a pair ofb-quarks. It targetsVhhsignals from both non-resonanthhproduction, present in the Standard Model (SM), and resonanthhproduction, as predicted in some SM extensions. A 95% confidence-level upper limit of 183 (87) times the SM cross-section is observed (expected) for non-resonantVhhproduction when assuming the kinematics are as expected in the SM. Constraints are also placed on Higgs boson coupling modifiers. For the resonant search, upper limits on the production cross-sections are derived for two specific models: one is the production of a vector boson along with a neutral heavy scalar resonanceH, in the mass range 260–1000 GeV, that decays intohh, and the other is the production of a heavier neutral pseudoscalar resonanceAthat decays into aZboson andHboson, where theAboson mass is 360–800 GeV and theHboson mass is 260–400 GeV. Constraints are also derived in the parameter space of two-Higgs-doublet models.

     
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  2. A<sc>bstract</sc>

    The results of a search for Higgs boson pair (HH) production in the WW*WW*, WW*ττ, andττττdecay modes are presented. The search uses 138 fb1of proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at the LHC at a center-of-mass energy of 13 TeV from 2016 to 2018. Analyzed events contain two, three, or four reconstructed leptons, including electrons, muons, and hadronically decaying tau leptons. No evidence for a signal is found in the data. Upper limits are set on the cross section for nonresonant HH production, as well as resonant production in which a new heavy particle decays to a pair of Higgs bosons. For nonresonant production, the observed (expected) upper limit on the cross section at 95% confidence level (CL) is 21.3 (19.4) times the standard model (SM) prediction. The observed (expected) ratio of the trilinear Higgs boson self-coupling to its value in the SM is constrained to be within the interval −6.9 to 11.1 (−6.9 to 11.7) at 95% CL, and limits are set on a variety of new-physics models using an effective field theory approach. The observed (expected) limits on the cross section for resonant HH production range from 0.18 to 0.90 (0.08 to 1.06) pb at 95% CL for new heavy-particle masses in the range 250–1000 GeV.

     
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  3. A<sc>bstract</sc>

    A search for pairs of dijet resonances with the same mass is conducted in final states with at least four jets. Results are presented separately for the case where the four jet production proceeds via an intermediate resonant state and for nonresonant production. The search uses a data sample corresponding to an integrated luminosity of 138 fb1collected by the CMS detector in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV. Model-independent limits, at 95% confidence level, are reported on the production cross section of four-jet and dijet resonances. These first LHC limits on resonant pair production of dijet resonances via high mass intermediate states are applied to a signal model of diquarks that decay into pairs of vector-like quarks, excluding diquark masses below 7.6 TeV for a particular model scenario. There are two events in the tails of the distributions, each with a four-jet mass of 8 TeV and an average dijet mass of 2 TeV, resulting in local and global significances of 3.9 and 1.6 standard deviations, respectively, if interpreted as a signal. The nonresonant search excludes pair production of top squarks with masses between 0.50 TeV to 0.77 TeV, with the exception of a small interval between 0.52 and 0.58 TeV, for supersymmetricR-parity-violating decays to quark pairs, significantly extending previous limits. Here, the most significant excess above the predicted background occurs at an average dijet mass of 0.95 TeV, for which the local and global significances are 3.6 and 2.5 standard deviations, respectively.

     
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  4. A<sc>bstract</sc>

    A search is reported for heavy resonances and quantum black holes decaying into eμ, eτ, and μτ final states in proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at the CERN LHC during 2016–2018 at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb1. The eμ, eτ, and μτ invariant mass spectra are reconstructed, and no evidence is found for physics beyond the standard model. Upper limits are set at 95% confidence level on the product of the cross section and branching fraction for lepton flavor violating signals. Three benchmark signals are studied: resonant τ sneutrino production inRparity violating supersymmetric models, heavy Z′ gauge bosons with lepton flavor violating decays, and nonresonant quantum black hole production in models with extra spatial dimensions. Resonant τ sneutrinos are excluded for masses up to 4.2TeV in the eμ channel, 3.7TeV in the eτ channel, and 3.6TeV in the μτ channel. A Z′ boson with lepton flavor violating couplings is excluded up to a mass of 5.0TeV in the eμ channel, up to 4.3Te V in the eτ channel, and up to 4.1TeV in the μτ channel. Quantum black holes in the benchmark model are excluded up to the threshold mass of 5.6TeV in the eμ channel, 5.2TeV in the eτ channel, and 5.0TeV in the μτ channel. In addition, model-independent limits are extracted to allow comparisons with other models for the same final states and similar event selection requirements. The results of these searches provide the most stringent limits available from collider experiments for heavy particles that undergo lepton flavor violating decays.

     
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  5. A<sc>bstract</sc>

    Three searches are presented for signatures of physics beyond the standard model (SM) inττfinal states in proton-proton collisions at the LHC, using a data sample collected with the CMS detector at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb1. Upper limits at 95% confidence level (CL) are set on the products of the branching fraction for the decay intoτleptons and the cross sections for the production of a new bosonϕ, in addition to the H(125) boson, via gluon fusion (ggϕ) or in association with b quarks, ranging from$$ \mathcal{O} $$O(10 pb) for a mass of 60 GeV to 0.3 fb for a mass of 3.5 TeV each. The data reveal two excesses for ggϕproduction with localp-values equivalent to about three standard deviations atmϕ= 0.1 and 1.2 TeV. In a search fort-channel exchange of a vector leptoquark U1, 95% CL upper limits are set on the dimensionless U1leptoquark coupling to quarks andτleptons ranging from 1 for a mass of 1 TeV to 6 for a mass of 5 TeV, depending on the scenario. In the interpretations of the$$ {M}_{\textrm{h}}^{125} $$Mh125and$$ {M}_{\textrm{h},\textrm{EFT}}^{125} $$Mh,EFT125minimal supersymmetric SM benchmark scenarios, additional Higgs bosons with masses below 350 GeV are excluded at 95% CL.

     
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