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This content will become publicly available on December 1, 2022

Title: Search for a heavy resonance decaying to a top quark and a W boson at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV in the fully hadronic final state
A bstract A search for a heavy resonance decaying to a top quark and a W boson in the fully hadronic final state is presented. The analysis is performed using data from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 137 fb − 1 recorded by the CMS experiment at the LHC. The search is focused on heavy resonances, where the decay products of each top quark or W boson are expected to be reconstructed as a single, large-radius jet with a distinct substructure. The production of an excited bottom quark, b * , is used as a benchmark when setting limits on the cross section for a heavy resonance decaying to a top quark and a W boson. The hypotheses of b * quarks with left-handed, right-handed, and vector-like chiralities are excluded at 95% confidence level for masses below 2.6, 2.8, and 3.1 TeV, respectively. These are the most stringent limits on the b * quark mass to date, extending the previous best limits by almost a factor of two.
Authors:
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Award ID(s):
2012584 1913356
Publication Date:
NSF-PAR ID:
10328282
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2021
Issue:
12
ISSN:
1029-8479
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. A bstract A search for a heavy resonance decaying into a top quark and a W boson in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV is presented. The data analyzed were recorded with the CMS detector at the LHC and correspond to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . The top quark is reconstructed as a single jet and the W boson, from its decay into an electron or muon and the corresponding neutrino. A top quark tagging technique based on jet clustering with a variable distance parameter and simultaneous jet grooming is used tomore »identify jets from the collimated top quark decay. The results are interpreted in the context of two benchmark models, where the heavy resonance is either an excited bottom quark b ∗ or a vector-like quark B. A statistical combination with an earlier search by the CMS Collaboration in the all-hadronic final state is performed to place upper cross section limits on these two models. The new analysis extends the lower range of resonance mass probed from 1.4 down to 0.7 TeV. For left-handed, right-handed, and vector-like couplings, b ∗ masses up to 3.0, 3.0, and 3.2 TeV are excluded at 95% confidence level, respectively. The observed upper limits represent the most stringent constraints on the b ∗ model to date.« less
  2. A bstract In this paper, a new technique for reconstructing and identifying hadronically decaying τ + τ − pairs with a large Lorentz boost, referred to as the di- τ tagger, is developed and used for the first time in the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider. A benchmark di- τ tagging selection is employed in the search for resonant Higgs boson pair production, where one Higgs boson decays into a boosted $$ b\overline{b} $$ b b ¯ pair and the other into a boosted τ + τ − pair, with two hadronically decaying τ -leptons in the finalmore »state. Using 139 fb − 1 of proton-proton collision data recorded at a centre-of-mass energy of 13 TeV, the efficiency of the di- τ tagger is determined and the background with quark- or gluon-initiated jets misidentified as di- τ objects is estimated. The search for a heavy, narrow, scalar resonance produced via gluon-gluon fusion and decaying into two Higgs bosons is carried out in the mass range 1–3 TeV using the same dataset. No deviations from the Standard Model predictions are observed, and 95% confidence-level exclusion limits are set on this model.« less
  3. A bstract A search for nonresonant production of Higgs boson pairs via gluon-gluon and vector boson fusion processes in final states with two bottom quarks and two photons is presented. The search uses data from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV recorded with the CMS detector at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 137 fb − 1 . No significant deviation from the background-only hypothesis is observed. An upper limit at 95% confidence level is set on the product of the Higgs boson pair production cross section and branching fractionmore »into $$ \gamma \gamma \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}} $$ γγ b b ¯ . The observed (expected) upper limit is determined to be 0.67 (0 . 45) fb, which corresponds to 7.7 (5.2) times the standard model prediction. This search has the highest sensitivity to Higgs boson pair production to date. Assuming all other Higgs boson couplings are equal to their values in the standard model, the observed coupling modifiers of the trilinear Higgs boson self-coupling κ λ and the coupling between a pair of Higgs bosons and a pair of vector bosons c 2V are constrained within the ranges − 3 . 3 < κ λ < 8 . 5 and − 1 . 3 < c 2V < 3 . 5 at 95% confidence level. Constraints on κ λ are also set by combining this analysis with a search for single Higgs bosons decaying to two photons, produced in association with top quark-antiquark pairs, and by performing a simultaneous fit of κ λ and the top quark Yukawa coupling modifier κ t .« less
  4. A bstract This paper presents a search for new heavy particles decaying into a pair of top quarks using 139 fb − 1 of proton-proton collision data recorded at a centre-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The search is performed using events consistent with pair production of high-transverse-momentum top quarks and their subsequent decays into the fully hadronic final states. The analysis is optimized for resonances decaying into a $$ t\overline{t} $$ t t ¯ pair with mass above 1.4 TeV, exploiting a dedicated multivariate technique withmore »jet substructure to identify hadronically decaying top quarks using large-radius jets and evaluating the background expectation from data. No significant deviation from the background prediction is observed. Limits are set on the production cross-section times branching fraction for the new Z ′ boson in a topcolor-assisted-technicolor model. The Z ′ boson masses below 3.9 and 4.7 TeV are excluded at 95% confidence level for the decay widths of 1% and 3%, respectively.« less
  5. 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