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Title: Search for $$ t\overline{t} $$ resonances in fully hadronic final states in pp collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV with the ATLAS detector
A bstract This paper presents a search for new heavy particles decaying into a pair of top quarks using 139 fb − 1 of proton-proton collision data recorded at a centre-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The search is performed using events consistent with pair production of high-transverse-momentum top quarks and their subsequent decays into the fully hadronic final states. The analysis is optimized for resonances decaying into a $$ t\overline{t} $$ t t ¯ pair with mass above 1.4 TeV, exploiting a dedicated multivariate technique with jet substructure to identify hadronically decaying top quarks using large-radius jets and evaluating the background expectation from data. No significant deviation from the background prediction is observed. Limits are set on the production cross-section times branching fraction for the new Z ′ boson in a topcolor-assisted-technicolor model. The Z ′ boson masses below 3.9 and 4.7 TeV are excluded at 95% confidence level for the decay widths of 1% and 3%, respectively.  more » « less
Award ID(s):
1812377
NSF-PAR ID:
10227264
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. null (Ed.)
    A bstract A search for nonresonant production of Higgs boson pairs via gluon-gluon and vector boson fusion processes in final states with two bottom quarks and two photons is presented. The search uses data from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV recorded with the CMS detector at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 137 fb − 1 . No significant deviation from the background-only hypothesis is observed. An upper limit at 95% confidence level is set on the product of the Higgs boson pair production cross section and branching fraction into $$ \gamma \gamma \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}} $$ γγ b b ¯ . The observed (expected) upper limit is determined to be 0.67 (0 . 45) fb, which corresponds to 7.7 (5.2) times the standard model prediction. This search has the highest sensitivity to Higgs boson pair production to date. Assuming all other Higgs boson couplings are equal to their values in the standard model, the observed coupling modifiers of the trilinear Higgs boson self-coupling κ λ and the coupling between a pair of Higgs bosons and a pair of vector bosons c 2V are constrained within the ranges − 3 . 3 < κ λ < 8 . 5 and − 1 . 3 < c 2V < 3 . 5 at 95% confidence level. Constraints on κ λ are also set by combining this analysis with a search for single Higgs bosons decaying to two photons, produced in association with top quark-antiquark pairs, and by performing a simultaneous fit of κ λ and the top quark Yukawa coupling modifier κ t . 
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  2. A search for the Higgs boson decaying into a pair of charm quarks is presented. The analysis uses proton– proton collisions to target the production of a Higgs boson in association with a leptonically decaying W or Z boson. The dataset delivered by the LHC at a centre-of-mass energy of √ s = 13 TeV and recorded by the ATLAS detector corresponds to an integrated luminosity of 139 fb−1. Flavourtagging algorithms are used to identify jets originating from the hadronisation of charm quarks. The analysis method is validated with the simultaneous measurement of WW,WZ and ZZ production, with observed (expected) significances of 2.6 (2.2) standard deviations above the background-only prediction for the (W/Z)Z(→ c ¯ c) process and 3.8 (4.6) standard deviations for the (W/Z)W(→ cq) process. The (W/Z)H(→ c ¯ c) search yields an observed (expected) upper limit of 26 (31) times the predicted Standard Model crosssection times branching fraction for a Higgs boson with a mass of 125 GeV, corresponding to an observed (expected) constraint on the charm Yukawa coupling modifier |κc| < 8.5 (12.4), at the 95% confidence level. A combination with theATLAS(W/Z)H, H → b¯b analysis is performed, allowing the ratio κc/κb to be constrained to less than 4.5 at the 95% confidence level, smaller than the ratio of the b- and c-quark masses, and therefore determines the Higgs-charm coupling to be weaker than the Higgs-bottom coupling at the 95% confidence level. 
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  3. null (Ed.)
    Abstract This paper presents a search for direct top squark pair production in events with missing transverse momentum plus either a pair of jets consistent with Standard Model Higgs boson decay into b -quarks or a same-flavour opposite-sign dilepton pair with an invariant mass consistent with a Z boson. The analysis is performed using the proton–proton collision data at $$\sqrt{s}=13$$ s = 13 TeV collected with the ATLAS detector during the LHC Run-2, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb $$^{-1}$$ - 1 . No excess is observed in the data above the Standard Model predictions. The results are interpreted in simplified models featuring direct production of pairs of either the lighter top squark ( $$\tilde{t}_1$$ t ~ 1 ) or the heavier top squark ( $$\tilde{t}_2$$ t ~ 2 ), excluding at 95% confidence level $$\tilde{t}_1$$ t ~ 1 and $$\tilde{t}_2$$ t ~ 2 masses up to about 1220 and 875 GeV, respectively. 
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  4. A bstract A search is presented for single production of a vector-like T quark with charge 2 / 3 e , in the decay channel featuring a top quark and a Z boson, with the top quark decaying hadronically and the Z boson decaying to neutrinos. The search uses data collected by the CMS experiment in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 137 fb − 1 recorded at the CERN LHC in 2016–2018. The search is sensitive to a T quark mass between 0.6 and 1.8 TeV with decay widths ranging from negligibly small up to 30% of the T quark mass. Reconstruction strategies for the top quark are based on the degree of Lorentz boosting of its final state. At 95% confidence level, the upper limit on the product of the cross section and branching fraction for a T quark of small decay width varies between 15 and 602 fb, depending on its mass. For a T quark with decay widths between 10 and 30% of its mass, this upper limit ranges between 16 and 836 fb. For most of the studied range, the results provide the best limits to date. This is the first search for single T quark production based on the full Run 2 data set of the LHC. 
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  5. null (Ed.)
    Abstract The rate for Higgs ( $${\mathrm{H}} $$ H ) bosons production in association with either one ( $${\mathrm{t}} {\mathrm{H}} $$ t H ) or two ( $${\mathrm{t}} {{\overline{{{\mathrm{t}}}}}} {\mathrm{H}} $$ t t ¯ H ) top quarks is measured in final states containing multiple electrons, muons, or tau leptons decaying to hadrons and a neutrino, using proton–proton collisions recorded at a center-of-mass energy of $$13\,\text {TeV} $$ 13 TeV by the CMS experiment. The analyzed data correspond to an integrated luminosity of 137 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The analysis is aimed at events that contain $${\mathrm{H}} \rightarrow {\mathrm{W}} {\mathrm{W}} $$ H → W W , $${\mathrm{H}} \rightarrow {\uptau } {\uptau } $$ H → τ τ , or $${\mathrm{H}} \rightarrow {\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} $$ H → Z Z decays and each of the top quark(s) decays either to lepton+jets or all-jet channels. Sensitivity to signal is maximized by including ten signatures in the analysis, depending on the lepton multiplicity. The separation among $${\mathrm{t}} {\mathrm{H}} $$ t H , $${\mathrm{t}} {{\overline{{{\mathrm{t}}}}}} {\mathrm{H}} $$ t t ¯ H , and the backgrounds is enhanced through machine-learning techniques and matrix-element methods. The measured production rates for the $${\mathrm{t}} {{\overline{{{\mathrm{t}}}}}} {\mathrm{H}} $$ t t ¯ H and $${\mathrm{t}} {\mathrm{H}} $$ t H signals correspond to $$0.92 \pm 0.19\,\text {(stat)} ^{+0.17}_{-0.13}\,\text {(syst)} $$ 0.92 ± 0.19 (stat) - 0.13 + 0.17 (syst) and $$5.7 \pm 2.7\,\text {(stat)} \pm 3.0\,\text {(syst)} $$ 5.7 ± 2.7 (stat) ± 3.0 (syst) of their respective standard model (SM) expectations. The corresponding observed (expected) significance amounts to 4.7 (5.2) standard deviations for $${\mathrm{t}} {{\overline{{{\mathrm{t}}}}}} {\mathrm{H}} $$ t t ¯ H , and to 1.4 (0.3) for $${\mathrm{t}} {\mathrm{H}} $$ t H production. Assuming that the Higgs boson coupling to the tau lepton is equal in strength to its expectation in the SM, the coupling $$y_{{\mathrm{t}}}$$ y t of the Higgs boson to the top quark divided by its SM expectation, $$\kappa _{{\mathrm{t}}}=y_{{\mathrm{t}}}/y_{{\mathrm{t}}}^{\mathrm {SM}}$$ κ t = y t / y t SM , is constrained to be within $$-0.9< \kappa _{{\mathrm{t}}}< -0.7$$ - 0.9 < κ t < - 0.7 or $$0.7< \kappa _{{\mathrm{t}}}< 1.1$$ 0.7 < κ t < 1.1 , at 95% confidence level. This result is the most sensitive measurement of the $${\mathrm{t}} {{\overline{{{\mathrm{t}}}}}} {\mathrm{H}} $$ t t ¯ H production rate to date. 
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