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Title: Search for dark matter produced in association with a single top quark in $$\sqrt{s}=13$$ TeV $$pp$$ collisions with the ATLAS detector
Abstract This paper presents a search for dark matter in the context of a two-Higgs-doublet model together with an additional pseudoscalar mediator, a , which decays into the dark-matter particles. Processes where the pseudoscalar mediator is produced in association with a single top quark in the 2HDM+ a model are explored for the first time at the LHC. Several final states which include either one or two charged leptons (electrons or muons) and a significant amount of missing transverse momentum are considered. The analysis is based on proton–proton collision data collected with the ATLAS experiment at $$\sqrt{s} = 13$$ s = 13  TeV during LHC Run 2 (2015–2018), corresponding to an integrated luminosity of 139  $$\hbox {fb}^{-1}$$ fb - 1 . No significant excess above the Standard Model predictions is found. The results are expressed as 95% confidence-level limits on the parameters of the signal models considered.  more » « less
Award ID(s):
2111046 1806738
PAR ID:
10318280
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
81
Issue:
10
ISSN:
1434-6044
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. A bstract A search for dark-matter particles in events with large missing transverse momentum and a Higgs boson candidate decaying into two photons is reported. The search uses 139 fb − 1 of proton-proton collision data collected at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV with the ATLAS detector at the CERN LHC between 2015 and 2018. No significant excess of events over the Standard Model predictions is observed. The results are interpreted by extracting limits on three simplified models that include either vector or pseudoscalar mediators and predict a final state with a pair of dark-matter candidates and a Higgs boson decaying into two photons. 
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  2. A<sc>bstract</sc> A search is performed for dark matter (DM) produced in association with a single top quark or a pair of top quarks using the data collected with the CMS detector at the LHC from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to 138 fb−1of integrated luminosity. An excess of events with a large imbalance of transverse momentum is searched for across 0, 1 and 2 lepton final states. Novel multivariate techniques are used to take advantage of the differences in kinematic properties between the two DM production mechanisms. No significant deviations with respect to the standard model predictions are observed. The results are interpreted considering a simplified model in which the mediator is either a scalar or pseudoscalar particle and couples to top quarks and to DM fermions. Axion-like particles that are coupled to top quarks and DM fermions are also considered. Expected exclusion limits of 410 and 380 GeV for scalar and pseudoscalar mediator masses, respectively, are set at the 95% confidence level. A DM particle mass of 1 GeV is assumed, with mediator couplings to fermions and DM particles set to unity. A small signal-like excess is observed in data, with the largest local significance observed to be 1.9 standard deviations for the 150 GeV pseudoscalar mediator hypothesis. Because of this excess, mediator masses are only excluded below 310 (320) GeV for the scalar (pseudoscalar) mediator. The results are also translated into model-independent 95% confidence level upper limits on the visible cross section of DM production in association with top quarks, ranging from 1 pb to 0.02 pb. 
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  3. null (Ed.)
    Abstract A search for dark matter particles is performed using events with a Z boson candidate and large missing transverse momentum. The analysis is based on proton–proton collision data at a center-of-mass energy of 13 $$\,\text {Te}\text {V}$$ Te , collected by the CMS experiment at the LHC in 2016–2018, corresponding to an integrated luminosity of 137 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The search uses the decay channels $${\mathrm{Z}} \rightarrow {\mathrm{e}} {\mathrm{e}} $$ Z → e e and $${\mathrm{Z}} \rightarrow {{\upmu }{}{}} {{\upmu }{}{}} $$ Z → μ μ . No significant excess of events is observed over the background expected from the standard model. Limits are set on dark matter particle production in the context of simplified models with vector, axial-vector, scalar, and pseudoscalar mediators, as well as on a two-Higgs-doublet model with an additional pseudoscalar mediator. In addition, limits are provided for spin-dependent and spin-independent scattering cross sections and are compared to those from direct-detection experiments. The results are also interpreted in the context of models of invisible Higgs boson decays, unparticles, and large extra dimensions. 
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  4. A<sc>bstract</sc> A search for the production of a single top quark in association with invisible particles is performed using proton-proton collision data collected with the CMS detector at the LHC at$$\sqrt{s}=13$$TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. In this search, a flavor-changing neutral current produces a single top quark or antiquark and an invisible state nonresonantly. The invisible state consists of a hypothetical spin-1 particle acting as a new mediator and decaying to two spin-1/2 dark matter candidates. The analysis searches for events in which the top quark or antiquark decays hadronically. No significant excess of events compatible with that signature is observed. Exclusion limits at 95% confidence level are placed on the masses of the spin-1 mediator and the dark matter candidates, and are compared to constraints from the dark matter relic density measurements. In a vector (axial-vector) coupling scenario, masses of the spin-1 mediator are excluded up to 1.85 (1.85) TeV with an expectation of 2.0 (2.0) TeV, whereas masses of the dark matter candidates are excluded up to 0.75 (0.55) TeV with an expectation of 0.85 (0.65) TeV. 
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  5. null (Ed.)
    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. 
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