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Title: Search for new phenomena with top quark pairs in final states with one lepton, jets, and missing transverse momentum in pp collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV with the ATLAS detector
A bstract A search for new phenomena with top quark pairs in final states with one isolated electron or muon, multiple jets, and large missing transverse momentum is performed. Signal regions are designed to search for two-, three-, and four-body decays of the directly pair-produced supersymmetric partner of the top quark (stop). Additional signal regions are designed specifically to search for spin-0 mediators that are produced in association with a pair of top quarks and decay into a pair of dark-matter particles. The search is performed using the Large Hadron Collider proton-proton collision dataset at a centre-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV recorded by the ATLAS detector from 2015 to 2018, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb − 1 . No significant excess above the Standard Model background is observed, and limits at 95% confidence level are set in the stop-neutralino mass plane and as a function of the mediator mass or the dark-matter particle mass. Stops are excluded up to 1200 GeV (710 GeV) in the two-body (three-body) decay scenario. In the four-body scenario stops up to 640 GeV are excluded for a stop-neutralino mass difference of 60 GeV. Scalar and pseudoscalar dark-matter mediators are excluded up to 200 GeV when the coupling strengths of the mediator to Standard Model and dark-matter particles are both equal to one and when the mass of the dark-matter particle is 1 GeV.  more » « less
Award ID(s):
1806738
NSF-PAR ID:
10279424
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2021
Issue:
4
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. null (Ed.)
    A bstract The results of a search for new phenomena in final states with b -jets and missing transverse momentum using 139 fb − 1 of proton-proton data collected at a centre-of-mass energy $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV by the ATLAS detector at the LHC are reported. The analysis targets final states produced by the decay of a pair-produced supersymmetric bottom squark into a bottom quark and a stable neutralino. The analysis also seeks evidence for models of pair production of dark matter particles produced through the decay of a generic scalar or pseudoscalar mediator state in association with a pair of bottom quarks, and models of pair production of scalar third-generation down-type leptoquarks. No significant excess of events over the Standard Model background expectation is observed in any of the signal regions considered by the analysis. Bottom squark masses below 1270 GeV are excluded at 95% confidence level if the neutralino is massless. In the case of nearly mass-degenerate bottom squarks and neutralinos, the use of dedicated secondary-vertex identification techniques permits the exclusion of bottom squarks with masses up to 660 GeV for mass splittings between the squark and the neutralino of 10 GeV. These limits extend substantially beyond the regions of parameter space excluded by similar ATLAS searches performed previously. 
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  2. Abstract A combination of searches for top squark pair production using proton–proton collision data at a center-of-mass energy of 13 $$\,\text {Te}\text {V}$$ Te at the CERN LHC, corresponding to an integrated luminosity of 137 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 collected by the CMS experiment, is presented. Signatures with at least 2 jets and large missing transverse momentum are categorized into events with 0, 1, or 2 leptons. New results for regions of parameter space where the kinematical properties of top squark pair production and top quark pair production are very similar are presented. Depending on the model, the combined result excludes a top squark mass up to 1325 $$\,\text {Ge}\text {V}$$ Ge for a massless neutralino, and a neutralino mass up to 700 $$\,\text {Ge}\text {V}$$ Ge for a top squark mass of 1150 $$\,\text {Ge}\text {V}$$ Ge . Top squarks with masses from 145 to 295 $$\,\text {Ge}\text {V}$$ Ge , for neutralino masses from 0 to 100 $$\,\text {Ge}\text {V}$$ Ge , with a mass difference between the top squark and the neutralino in a window of 30 $$\,\text {Ge}\text {V}$$ Ge around the mass of the top quark, are excluded for the first time with CMS data. The results of theses searches are also interpreted in an alternative signal model of dark matter production via a spin-0 mediator in association with a top quark pair. Upper limits are set on the cross section for mediator particle masses of up to 420 $$\,\text {Ge}\text {V}$$ Ge . 
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  3. 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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  4. Abstract

    This paper presents a statistical combination of searches targeting final states with two top quarks and invisible particles, characterised by the presence of zero, one or two leptons, at least one jet originating from ab-quark and missing transverse momentum. The analyses are searches for phenomena beyond the Standard Model consistent with the direct production of dark matter inppcollisions at the LHC, using 139 fb$$^{-\text {1}}$$-1of data collected with the ATLAS detector at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The results are interpreted in terms of simplified dark matter models with a spin-0 scalar or pseudoscalar mediator particle. In addition, the results are interpreted in terms of upper limits on the Higgs boson invisible branching ratio, where the Higgs boson is produced according to the Standard Model in association with a pair of top quarks. For scalar (pseudoscalar) dark matter models, with all couplings set to unity, the statistical combination extends the mass range excluded by the best of the individual channels by 50 (25) GeV, excluding mediator masses up to 370 GeV. In addition, the statistical combination improves the expected coupling exclusion reach by 14% (24%), assuming a scalar (pseudoscalar) mediator mass of 10 GeV. An upper limit on the Higgs boson invisible branching ratio of 0.38 ($$\text {0.30}^{+\text {0.13}}_{-\text {0.09}}$$0.30-0.09+0.13) is observed (expected) at 95% confidence level.

     
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  5. Abstract

    This paper presents a search for dark matter,$$\chi $$χ, using events with a single top quark and an energeticWboson. The analysis is based on proton–proton collision data collected with the ATLAS experiment at$$\sqrt{s}=$$s=13 TeV during LHC Run 2 (2015–2018), corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$$^{-1}$$-1. The search considers final states with zero or one charged lepton (electron or muon), at least oneb-jet and large missing transverse momentum. In addition, a result from a previous search considering two-charged-lepton final states is included in the interpretation of the results. The data are found to be in good agreement with the Standard Model predictions and the results are interpreted in terms of 95% confidence-level exclusion limits in the context of a class of dark matter models involving an extended two-Higgs-doublet sector together with a pseudoscalar mediator particle. The search is particularly sensitive to on-shell production of the charged Higgs boson state,$$H^{\pm }$$H±, arising from the two-Higgs-doublet mixing, and its semi-invisible decays via the mediator particle,a:$$H^{\pm } \rightarrow W^\pm a (\rightarrow \chi \chi )$$H±W±a(χχ). Signal models with$$H^{\pm }$$H±masses up to 1.5 TeV andamasses up to 350 GeV are excluded assuming a$$\tan \beta $$tanβvalue of 1. For masses ofaof 150 (250) GeV,$$\tan \beta $$tanβvalues up to 2 are excluded for$$H^{\pm }$$H±masses between 200 (400) GeV and 1.5 TeV. Signals with$$\tan \beta $$tanβvalues between 20 and 30 are excluded for$$H^{\pm }$$H±masses between 500 and 800 GeV.

     
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