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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
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. 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 fb−1of 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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  2. 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 fb−1collected 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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  3. A bstract A search is presented for vector-like T and B quark-antiquark pairs produced in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. Data were collected by the CMS experiment at the CERN LHC in 2016–2018, with an integrated luminosity of 138 fb − 1 . Events are separated into single-lepton, same-sign charge dilepton, and multi-lepton channels. In the analysis of the single-lepton channel a multilayer neural network and jet identification techniques are employed to select signal events, while the same-sign dilepton and multilepton channels rely on the high-energy signature of the signal to distinguish it from standard model backgrounds. The data are consistent with standard model background predictions, and the production of vector-like quark pairs is excluded at 95% confidence level for T quark masses up to 1.54 TeV and B quark masses up to 1.56 TeV, depending on the branching fractions assumed, with maximal sensitivity to decay modes that include multiple top quarks. The limits obtained in this search are the strongest limits to date for $$ \textrm{T}\overline{\textrm{T}} $$ T T ¯ production, excluding masses below 1.48 TeV for all decays to third generation quarks, and are the strongest limits to date for $$ \textrm{B}\overline{\textrm{B}} $$ B B ¯ production with B quark decays to tW. 
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  4. Abstract A search for low-mass dilepton resonances in Higgs boson decays is conducted in the four-lepton final state. The decay is assumed to proceed via a pair of beyond the standard model particles, or one such particle and a $${\mathrm{Z}}$$ Z boson. The search uses proton–proton collision data collected with the CMS detector at the CERN LHC, corresponding to an integrated luminosity of 137 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 , at a center-of-mass energy $$\sqrt{s} = 13\,\text {TeV} $$ s = 13 TeV . No significant deviation from the standard model expectation is observed. Upper limits at 95% confidence level are set on model-independent Higgs boson decay branching fractions. Additionally, limits on dark photon and axion-like particle production, based on two specific models, are reported. 
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  5. A<sc>bstract</sc> A search for pair production of squarks or gluinos decaying via sleptons or weak bosons is reported. The search targets a final state with exactly two leptons with same-sign electric charge or at least three leptons without any charge requirement. The analysed data set corresponds to an integrated luminosity of 139 fb−1of proton-proton collisions collected at a centre-of-mass energy of 13 TeV with the ATLAS detector at the LHC. Multiple signal regions are defined, targeting several SUSY simplified models yielding the desired final states. A single control region is used to constrain the normalisation of theWZ+ jets background. No significant excess of events over the Standard Model expectation is observed. The results are interpreted in the context of several supersymmetric models featuring R-parity conservation or R-parity violation, yielding exclusion limits surpassing those from previous searches. In models considering gluino (squark) pair production, gluino (squark) masses up to 2.2 (1.7) TeV are excluded at 95% confidence level. 
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