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Title: Search for top squarks in events with a Higgs or Z boson using 139 fb$$^{-1}$$ of pp collision data at $$\sqrt{s}=13$$ TeV with the ATLAS detector
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.  more » « less
Award ID(s):
1806738
NSF-PAR ID:
10279415
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
80
Issue:
11
ISSN:
1434-6044
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. null (Ed.)
    Abstract The results of a search for electroweakino pair production $$pp \rightarrow \tilde{\chi }^\pm _1 \tilde{\chi }^0_2$$ p p → χ ~ 1 ± χ ~ 2 0 in which the chargino ( $$\tilde{\chi }^\pm _1$$ χ ~ 1 ± ) decays into a W boson and the lightest neutralino ( $$\tilde{\chi }^0_1$$ χ ~ 1 0 ), while the heavier neutralino ( $$\tilde{\chi }^0_2$$ χ ~ 2 0 ) decays into the Standard Model 125 GeV Higgs boson and a second $$\tilde{\chi }^0_1$$ χ ~ 1 0 are presented. The signal selection requires a pair of b -tagged jets consistent with those from a Higgs boson decay, and either an electron or a muon from the W boson decay, together with missing transverse momentum from the corresponding neutrino and the stable neutralinos. The analysis is based on data corresponding to 139  $$\mathrm {fb}^{-1}$$ fb - 1 of $$\sqrt{s}=13$$ s = 13 TeV pp collisions provided by the Large Hadron Collider and recorded by the ATLAS detector. No statistically significant evidence of an excess of events above the Standard Model expectation is found. Limits are set on the direct production of the electroweakinos in simplified models, assuming pure wino cross-sections. Masses of $$\tilde{\chi }^{\pm }_{1}/\tilde{\chi }^{0}_{2}$$ χ ~ 1 ± / χ ~ 2 0 up to 740 GeV are excluded at 95% confidence level for a massless $$\tilde{\chi }^{0}_{1}$$ χ ~ 1 0 . 
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  2. null (Ed.)
    Abstract A search for direct pair production of scalar partners of the top quark (top squarks or scalar third-generation up-type leptoquarks) in the all-hadronic $$t{\bar{t}}$$ t t ¯ plus missing transverse momentum final state is presented. The analysis of 139  $$\hbox {fb}^{-1}$$ fb - 1 of $${\sqrt{s}=13}$$ s = 13  TeV proton–proton collision data collected using the ATLAS detector at the LHC yields no significant excess over the Standard Model background expectation. To interpret the results, a supersymmetric model is used where the top squark decays via $${\tilde{t}} \rightarrow t^{(*)} {\tilde{\chi }}^0_1$$ t ~ → t ( ∗ ) χ ~ 1 0 , with $$t^{(*)}$$ t ( ∗ ) denoting an on-shell (off-shell) top quark and $${\tilde{\chi }}^0_1$$ χ ~ 1 0 the lightest neutralino. Three specific event selections are optimised for the following scenarios. In the scenario where $$m_{{\tilde{t}}}> m_t+m_{{\tilde{\chi }}^0_1}$$ m t ~ > m t + m χ ~ 1 0 , top squark masses are excluded in the range 400–1250 GeV for $${\tilde{\chi }}^0_1$$ χ ~ 1 0 masses below 200 GeV at 95% confidence level. In the situation where $$m_{{\tilde{t}}}\sim m_t+m_{{\tilde{\chi }}^0_1}$$ m t ~ ∼ m t + m χ ~ 1 0 , top squark masses in the range 300–630 GeV are excluded, while in the case where $$m_{{\tilde{t}}}< m_W+m_b+m_{{\tilde{\chi }}^0_1}$$ m t ~ < m W + m b + m χ ~ 1 0 (with $$m_{{\tilde{t}}}-m_{{\tilde{\chi }}^0_1}\ge 5$$ m t ~ - m χ ~ 1 0 ≥ 5  GeV), considered for the first time in an ATLAS all-hadronic search, top squark masses in the range 300–660 GeV are excluded. Limits are also set for scalar third-generation up-type leptoquarks, excluding leptoquarks with masses below 1240 GeV when considering only leptoquark decays into a top quark and a neutrino. 
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  3. A bstract A search for supersymmetry in events with two or three low-momentum leptons and missing transverse momentum is performed. The search uses proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV collected in the three-year period 2016–2018 by the CMS experiment at the LHC and corresponding to an integrated luminosity of up to 137 fb − 1 . The data are found to be in agreement with expectations from standard model processes. The results are interpreted in terms of electroweakino and top squark pair production with a small mass difference between the produced supersymmetric particles and the lightest neutralino. For the electroweakino interpretation, two simplified models are used, a wino-bino model and a higgsino model. Exclusion limits at 95% confidence level are set on $$ {\overset{\sim }{\upchi}}_2^0/{\overset{\sim }{\upchi}}_1^{\pm } $$ χ ~ 2 0 / χ ~ 1 ± masses up to 275 GeV for a mass difference of 10 GeV in the wino-bino case, and up to 205(150) GeV for a mass difference of 7.5 (3) GeV in the higgsino case. The results for the higgsino are further interpreted using a phenomenological minimal supersymmetric standard model, excluding the higgsino mass parameter μ up to 180 GeV with the bino mass parameter M 1 at 800 GeV. In the top squark interpretation, exclusion limits are set at top squark masses up to 540 GeV for four-body top squark decays and up to 480 GeV for chargino-mediated decays with a mass difference of 30 GeV. 
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  4. A bstract A search for the pair production of the lightest supersymmetric partner of the top quark, the top squark ( $$ {\overset{\sim }{\textrm{t}}}_1 $$ t ~ 1 ), is presented. The search targets the four-body decay of the $$ {\overset{\sim }{\textrm{t}}}_1 $$ t ~ 1 , which is preferred when the mass difference between the top squark and the lightest supersymmetric particle is smaller than the mass of the W boson. This decay mode consists of a bottom quark, two other fermions, and the lightest neutralino ( $$ {\overset{\sim }{\chi}}_1^0 $$ χ ~ 1 0 ), which is assumed to be the lightest supersymmetric particle. The data correspond to an integrated luminosity of 138 fb − 1 of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV collected by the CMS experiment at the CERN LHC. Events are selected using the presence of a high-momentum jet, an electron or muon with low transverse momentum, and a significant missing transverse momentum. The signal is selected based on a multivariate approach that is optimized for the difference between m ( $$ {\overset{\sim }{\textrm{t}}}_1 $$ t ~ 1 ) and m ( $$ {\overset{\sim }{\chi}}_1^0 $$ χ ~ 1 0 ). The contribution from leading background processes is estimated from data. No significant excess is observed above the expectation from standard model processes. The results of this search exclude top squarks at 95% confidence level for masses up to 480 and 700 GeV for m ( $$ {\overset{\sim }{\textrm{t}}}_1 $$ t ~ 1 ) − m ( $$ {\overset{\sim }{\chi}}_1^0 $$ χ ~ 1 0 ) = 10 and 80 GeV, respectively. 
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  5. A bstract The identity of Dark Matter (DM) is one of the most active topics in particle physics today. Supersymmetry (SUSY) is an extension of the standard model (SM) that could describe the particle nature of DM in the form of the lightest neutralino in R-parity conserving models. We focus on SUSY models that solve the hierarchy problem with small fine tuning, and where the lightest SUSY particles $$ \left({\tilde{\upchi}}_1^0,{\tilde{\upchi}}_1^{\pm },{\tilde{\upchi}}_2^0\right) $$ χ ˜ 1 0 χ ˜ 1 ± χ ˜ 2 0 are a triplet of higgsino-like states, such that the mass difference $$ \Delta m\left({\tilde{\upchi}}_2^0,{\tilde{\upchi}}_1^0\right) $$ Δ m χ ˜ 2 0 χ ˜ 1 0 is 0.5–50 GeV. We perform a feasibility study to assess the long-term discovery potential for these compressed SUSY models with higgsino-like states, using vector boson fusion (VBF) processes in the context of proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, at the CERN Large Hadron Collider. Assuming an integrated luminosity of 3000 fb − 1 , we find that stringent VBF requirements, combined with large missing momentum and one or two low- p T leptons, is effective at reducing the major SM backgrounds, leading to a 5 σ (3 σ ) discovery reach for $$ m\left({\tilde{\upchi}}_2^0\right) $$ m χ ˜ 2 0 < 180 (260) GeV, and a projected 95% confidence level exclusion region that covers $$ m\left({\tilde{\upchi}}_2^0\right) $$ m χ ˜ 2 0 up to 385 GeV, parameter space that is currently unconstrained by other experiments. 
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