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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
NSF-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. 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. 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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  3. 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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  4. A bstract The production of dark matter in association with Higgs bosons is predicted in several extensions of the Standard Model. An exploration of such scenarios is presented, considering final states with missing transverse momentum and b -tagged jets consistent with a Higgs boson. The analysis uses proton-proton collision data at a centre-of-mass energy of 13 TeV recorded by the ATLAS experiment at the LHC during Run 2, amounting to an integrated luminosity of 139 fb − 1 . The analysis, when compared with previous searches, benefits from a larger dataset, but also has further improvements providing sensitivity to a wider spectrum of signal scenarios. These improvements include both an optimised event selection and advances in the object identification, such as the use of the likelihood-based significance of the missing transverse momentum and variable-radius track-jets. No significant deviation from Standard Model expectations is observed. Limits are set, at 95% confidence level, in two benchmark models with two Higgs doublets extended by either a heavy vector boson Z ′ or a pseudoscalar singlet a and which both provide a dark matter candidate χ . In the case of the two-Higgs-doublet model with an additional vector boson Z ′, the observed limits extend up to a Z ′ mass of 3 TeV for a mass of 100 GeV for the dark matter candidate. The two-Higgs-doublet model with a dark matter particle mass of 10 GeV and an additional pseudoscalar a is excluded for masses of the a up to 520 GeV and 240 GeV for tan β = 1 and tan β = 10 respectively. Limits on the visible cross-sections are set and range from to 0.05 fb to 3.26 fb, depending on the missing transverse momentum and b -quark jet multiplicity requirements. 
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  5. 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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