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Title: Measurement of the t$$ \overline{t} $$t$$ \overline{t} $$ production cross section in pp collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV with the ATLAS detector
A bstract A measurement of four-top-quark production using proton-proton collision data at a centre-of-mass energy of 13 TeV collected by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider corresponding to an integrated luminosity of 139 fb − 1 is presented. Events are selected if they contain a single lepton (electron or muon) or an opposite-sign lepton pair, in association with multiple jets. The events are categorised according to the number of jets and how likely these are to contain b -hadrons. A multivariate technique is then used to discriminate between signal and background events. The measured four-top-quark production cross section is found to be $$ {26}_{-15}^{+17} $$ 26 − 15 + 17 fb, with a corresponding observed (expected) significance of 1.9 (1.0) standard deviations over the background-only hypothesis. The result is combined with the previous measurement performed by the ATLAS Collaboration in the multilepton final state. The combined four-top-quark production cross section is measured to be $$ {24}_{-6}^{+7} $$ 24 − 6 + 7 fb, with a corresponding observed (expected) signal significance of 4.7 (2.6) standard deviations over the background-only predictions. It is consistent within 2.0 standard deviations with the Standard Model expectation of 12 . 0 ± 2 . 4 fb.  more » « less
Award ID(s):
2111046
PAR ID:
10318270
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2021
Issue:
11
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract The production cross-section of a top quark in association with a W boson is measured using proton–proton collisions at $$\sqrt{s} = 8\,\text {TeV}$$ s = 8 TeV . The dataset corresponds to an integrated luminosity of $$20.2\,\text {fb}^{-1}$$ 20.2 fb - 1 , and was collected in 2012 by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at CERN. The analysis is performed in the single-lepton channel. Events are selected by requiring one isolated lepton (electron or muon) and at least three jets. A neural network is trained to separate the tW signal from the dominant $$t{\bar{t}}$$ t t ¯ background. The cross-section is extracted from a binned profile maximum-likelihood fit to a two-dimensional discriminant built from the neural-network output and the invariant mass of the hadronically decaying W boson. The measured cross-section is $$\sigma _{tW} = 26 \pm 7\,\text {pb}$$ σ tW = 26 ± 7 pb , in good agreement with the Standard Model expectation. 
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  2. A bstract The production of a top quark-antiquark pair in association with a W boson ( $$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{W} $$ t t ¯ W ) is measured in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The analyzed data was recorded by the CMS experiment at the CERN LHC and corresponds to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . Events with two or three leptons (electrons and muons) and additional jets are selected. In events with two leptons, a multiclass neural network is used to distinguish between the signal and background processes. Events with three leptons are categorized based on the number of jets and of jets originating from b quark hadronization, and the lepton charges. The inclusive $$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{W} $$ t t ¯ W production cross section in the full phase space is measured to be 868 ± 40(stat) ± 51(syst) fb. The $$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{W} $$ t t ¯ W + and $$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{W} $$ t t ¯ W − cross sections are also measured as 553 ± 30(stat) ± 30(syst) and 343 ± 26(stat) ± 25(syst) fb, respectively, and the corresponding ratio of the two cross sections is found to be $$ 1.61\pm 0.15{\left(\textrm{stat}\right)}_{-0.05}^{+0.07}\left(\textrm{syst}\right) $$ 1.61 ± 0.15 stat − 0.05 + 0.07 syst . The measured cross sections are larger than but consistent with the standard model predictions within two standard deviations, and represent the most precise measurement of these cross sections to date. 
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  3. A bstract The top quark pair production cross section is measured in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 5.02 TeV. The data were collected in a special LHC low-energy and low-intensity run in 2017, and correspond to an integrated luminosity of 302 pb − 1 . The measurement is performed using events with one electron and one muon of opposite charge, and at least two jets. The measured cross section is 60 . 7 ± 5 . 0 (stat) ± 2 . 8 (syst) ± 1 . 1 (lumi) pb. A combination with the result in the single lepton + jets channel, based on data collected in 2015 at the same center-of-mass energy and corresponding to an integrated luminosity of 27.4 pb − 1 , is then performed. The resulting measured value is 63 . 0 ± 4 . 1 (stat) ± 3 . 0 (syst+lumi) pb, in agreement with the standard model prediction of $$ {66.8}_{-3.1}^{+2.9} $$ 66.8 − 3.1 + 2.9 pb. 
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  4. A bstract The production cross section of a top quark pair in association with a photon is measured in proton-proton collisions in the decay channel with two oppositely charged leptons ( e ± μ ∓ , e + e − , or μ + μ − ). The measurement is performed using 138 fb − 1 of proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV during the 2016–2018 data-taking period of the CERN LHC. A fiducial phase space is defined such that photons radiated by initial-state particles, top quarks, or any of their decay products are included. An inclusive cross section of 175 . 2 ± 2 . 5(stat) ± 6 . 3(syst) fb is measured in a signal region with at least one jet coming from the hadronization of a bottom quark and exactly one photon with transverse momentum above 20 GeV. Differential cross sections are measured as functions of several kinematic observables of the photon, leptons, and jets, and compared to standard model predictions. The measurements are also interpreted in the standard model effective field theory framework, and limits are found on the relevant Wilson coefficients from these results alone and in combination with a previous CMS measurement of the t $$ \overline{t} $$ t ¯ γ production process using the lepton+jets final state. 
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  5. Abstract A measurement of the jet mass distribution in hadronic decays of Lorentz-boosted top quarks is presented. The measurement is performed in the lepton + jets channel of top quark pair production ( $$\hbox {t}\overline{\hbox {t}}$$ t t ¯ ) events, where the lepton is an electron or muon. The products of the hadronic top quark decay are reconstructed using a single large-radius jet with transverse momentum greater than 400 $$\,\text {Ge}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Ge V . The data were collected with the CMS detector at the LHC in proton-proton collisions and correspond to an integrated luminosity of 138 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The differential $$\hbox {t}\overline{\hbox {t}}$$ t t ¯ production cross section as a function of the jet mass is unfolded to the particle level and is used to extract the top quark mass. The jet mass scale is calibrated using the hadronic W boson decay within the large-radius jet. The uncertainties in the modelling of the final state radiation are reduced by studying angular correlations in the jet substructure. These developments lead to a significant increase in precision, and a top quark mass of $$173.06 \pm 0.84\,\text {Ge}\hspace{-.08em}\text {V} $$ 173.06 ± 0.84 Ge V . 
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