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Title: Search for new physics in top quark production with additional leptons in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV using effective field theory
A bstract Events containing one or more top quarks produced with additional prompt leptons are used to search for new physics within the framework of an effective field theory (EFT). The data correspond to an integrated luminosity of 41.5 fb − 1 of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV at the LHC, collected by the CMS experiment in 2017. The selected events are required to have either two leptons with the same charge or more than two leptons; jets, including identified bottom quark jets, are also required, and the selected events are divided into categories based on the multiplicities of these objects. Sixteen dimension-six operators that can affect processes involving top quarks produced with additional charged leptons are considered in this analysis. Constructed to target EFT effects directly, the analysis applies a novel approach in which the observed yields are parameterized in terms of the Wilson coefficients (WCs) of the EFT operators. A simultaneous fit of the 16 WCs to the data is performed and two standard deviation confidence intervals for the WCs are extracted; the standard model expectations for the WC values are within these intervals for all of the WCs probed.
Authors:
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Award ID(s):
1914059
Publication Date:
NSF-PAR ID:
10285248
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2021
Issue:
3
ISSN:
1029-8479
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. 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 $${\mathrm{H}} \rightarrowmore »{\mathrm{W}} {\mathrm{W}} $$ 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.« less
  2. A bstract Inclusive and differential cross-sections for the production of top quarks in association with a photon are measured with proton-proton collision data corresponding to an integrated luminosity of 139 fb − 1 . The data were collected by the ATLAS detector at the LHC during Run 2 between 2015 and 2018 at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The measurements are performed in a fiducial volume defined at parton level. Events with exactly one photon, one electron and one muon of opposite sign, and at least two jets, of which at least one is b -tagged, are selected. Themore »fiducial cross-section is measured to be $$ {39.6}_{-2.3}^{+2.7} $$ 39.6 − 2.3 + 2.7 fb. Differential cross-sections as functions of several observables are compared with state-of-the-art Monte Carlo simulations and next-to-leading-order theoretical calculations. These include cross-sections as functions of photon kinematic variables, angular variables related to the photon and the leptons, and angular separations between the two leptons in the event. All measurements are in agreement with the predictions from the Standard Model.« less
  3. Abstract A search is presented for new phenomena in events characterised by high jet multiplicity, no leptons (electrons or muons), and four or more jets originating from the fragmentation of b -quarks ( b -jets). The search uses $$139~\hbox {fb}^{-1}$$ 139 fb - 1 of $$\sqrt{s}$$ s = 13 TeV proton–proton collision data collected by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider during Run 2. The dominant Standard Model background originates from multijet production and is estimated using a data-driven technique based on an extrapolation from events with low b -jet multiplicity to the high b -jet multiplicities used in themore »search. No significant excess over the Standard Model expectation is observed and 95% confidence-level limits that constrain simplified models of R-parity-violating supersymmetry are determined. The exclusion limits reach 950 GeV in top-squark mass in the models considered.« less
  4. Abstract A data sample of events from proton-proton collisions with at least two jets, and two isolated same-sign or three or more charged leptons, is studied in a search for signatures of new physics phenomena. The data correspond to an integrated luminosity of $$137{\,{\text {fb}}^{-1}} $$ 137 fb - 1 at a center-of-mass energy of $$13\,{\text {TeV}} $$ 13 TeV , collected in 2016–2018 by the CMS experiment at the LHC. The search is performed using a total of 168 signal regions defined using several kinematic variables. The properties of the events are found to be consistent with the expectationsmore »from standard model processes. Exclusion limits at 95% confidence level are set on cross sections for the pair production of gluinos or squarks for various decay scenarios in the context of supersymmetric models conserving or violating R parity. The observed lower mass limits are as large as $$2.1\,{\text {TeV}} $$ 2.1 TeV for gluinos and $$0.9\,{\text {TeV}} $$ 0.9 TeV for top and bottom squarks. To facilitate reinterpretations, model-independent limits are provided in a set of simplified signal regions.« less
  5. A bstract A search is presented for new particles produced at the LHC in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, using events with energetic jets and large missing transverse momentum. The analysis is based on a data sample corresponding to an integrated luminosity of 101 fb − 1 , collected in 2017–2018 with the CMS detector. Machine learning techniques are used to define separate categories for events with narrow jets from initial-state radiation and events with large-radius jets consistent with a hadronic decay of a W or Z boson. A statistical combination is made with anmore »earlier search based on a data sample of 36 fb − 1 , collected in 2016. No significant excess of events is observed with respect to the standard model background expectation determined from control samples in data. The results are interpreted in terms of limits on the branching fraction of an invisible decay of the Higgs boson, as well as constraints on simplified models of dark matter, on first-generation scalar leptoquarks decaying to quarks and neutrinos, and on models with large extra dimensions. Several of the new limits, specifically for spin-1 dark matter mediators, pseudoscalar mediators, colored mediators, and leptoquarks, are the most restrictive to date.« less