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Title: Search for pairs of scalar leptoquarks decaying into quarks and electrons or muons in $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV pp collisions with the ATLAS detector
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.  more » « less
Award ID(s):
1812377
NSF-PAR ID:
10227263
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2020
Issue:
10
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. 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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  2. A<sc>bstract</sc>

    A search for pair-produced scalar and vector leptoquarks decaying into quarks and leptons of different generations is presented. It uses the full LHC Run 2 (2015–2018) data set of 139 fb1collected with the ATLAS detector in proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV. Scalar leptoquarks with charge −(1/3)eas well as scalar and vector leptoquarks with charge +(2/3)eare considered. All possible decays of the pair-produced leptoquarks into quarks of the third generation (t, b) and charged or neutral leptons of the first or second generation (e, μ, ν) with exactly one electron or muon in the final state are investigated. No significant deviations from the Standard Model expectation are observed. Upper limits on the production cross-section are provided for eight models as a function of the leptoquark mass and the branching ratio of the leptoquark into the charged or neutral lepton. In addition, lower limits on the leptoquark masses are derived for all models across a range of branching ratios. Two of these models have the goal of providing an explanation for the recentB-anomalies. In both models, a vector leptoquark decays into charged and neutral leptons of the second generation with a similar branching fraction. Lower limits of 1980 GeV and 1710 GeV are set on the leptoquark mass for these two models.

     
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  3. Abstract A search for flavor-changing neutral current interactions of the top quark (t) and the Higgs boson (H) is presented. The search is based on a data sample corresponding to an integrated luminosity of 137 fb − 1 recorded by the CMS experiment at the LHC in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV. Events containing exactly one lepton (muon or electron) and at least three jets, among which at least two are identified as originating from the hadronization of a bottom quark, are analyzed. A set of deep neural networks is used for kinematic event reconstruction, while boosted decision trees distinguish the signal from the background events. No significant excess over the background predictions is observed, and upper limits on the signal production cross sections are extracted. These limits are interpreted in terms of top quark decay branching fractions ( $$ \mathcal{B} $$ B ) to the Higgs boson and an up (u) or a charm quark (c). Assuming one nonvanishing extra coupling at a time, the observed (expected) upper limits at 95% confidence level are $$ \mathcal{B} $$ B (t → Hu) < 0 . 079 (0 . 11)% and $$ \mathcal{B} $$ B (t → Hc) < 0 . 094 (0 . 086)%. 
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  4. Abstract

    Measurements of the associated production of a W boson and a charm ($${\text {c}}$$c) quark in proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of 8$$\,\text {TeV}$$TeVare reported. The analysis uses a data sample corresponding to a total integrated luminosity of 19.7$$\,\text {fb}^{-1}$$fb-1collected by the CMS detector at the LHC. The W bosons are identified through their leptonic decays to an electron or a muon, and a neutrino. Charm quark jets are selected using distinctive signatures of charm hadron decays. The product of the cross section and branching fraction$$\sigma (\text {p}\text {p}\rightarrow \text {W}+ {\text {c}}+ \text {X}) {\mathcal {B}}(\text {W}\rightarrow \ell \upnu )$$σ(ppW+c+X)B(Wν), where$$\ell = \text {e}$$=eor$$\upmu $$μ, and the cross section ratio$$\sigma (\text {p}\text {p}\rightarrow {{\text {W}}^{+} + \bar{{\text {c}}} + \text {X}}) / \sigma (\text {p}\text {p}\rightarrow {{\text {W}}^{-} + {\text {c}}+ \text {X}})$$σ(ppW++c¯+X)/σ(ppW-+c+X)are measured in a fiducial volume and differentially as functions of the pseudorapidity and of the transverse momentum of the lepton from the W boson decay. The results are compared with theoretical predictions. The impact of these measurements on the determination of the strange quark distribution is assessed.

     
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  5. Abstract

    Leptoquarks ($$\textrm{LQ}$$LQs) are hypothetical particles that appear in various extensions of the Standard Model (SM), that can explain observed differences between SM theory predictions and experimental results. The production of these particles has been widely studied at various experiments, most recently at the Large Hadron Collider (LHC), and stringent bounds have been placed on their masses and couplings, assuming the simplest beyond-SM (BSM) hypotheses. However, the limits are significantly weaker for$$\textrm{LQ}$$LQmodels with family non-universal couplings containing enhanced couplings to third-generation fermions. We present a new study on the production of a$$\textrm{LQ}$$LQat the LHC, with preferential couplings to third-generation fermions, considering proton-proton collisions at$$\sqrt{s} = 13 \, \textrm{TeV}$$s=13TeVand$$\sqrt{s} = 13.6 \, \textrm{TeV}$$s=13.6TeV. Such a hypothesis is well motivated theoretically and it can explain the recent anomalies in the precision measurements of$$\textrm{B}$$B-meson decay rates, specifically the$$R_{D^{(*)}}$$RD()ratios. Under a simplified model where the$$\textrm{LQ}$$LQmasses and couplings are free parameters, we focus on cases where the$$\textrm{LQ}$$LQdecays to a$$\tau $$τlepton and a$$\textrm{b}$$bquark, and study how the results are affected by different assumptions about chiral currents and interference effects with other BSM processes with the same final states, such as diagrams with a heavy vector boson,$$\textrm{Z}^{\prime }$$Z. The analysis is performed using machine learning techniques, resulting in an increased discovery reach at the LHC, allowing us to probe new physics phase space which addresses the$$\textrm{B}$$B-meson anomalies, for$$\textrm{LQ}$$LQmasses up to$$5.00\, \textrm{TeV}$$5.00TeV, for the high luminosity LHC scenario.

     
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