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Title: Search for a heavy resonance decaying into a top quark and a W boson in the lepton+jets final state at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV
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 to 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.  more » « less
Award ID(s):
2012584 2121686 1913779
PAR ID:
10328326
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2022
Issue:
4
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. 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. 
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  2. A bstract A search is presented for a heavy W′ boson resonance decaying to a B or T vector-like quark and a t or a b quark, respectively. The analysis is performed using proton-proton collisions collected with the CMS detector at the LHC. The data correspond to an integrated luminosity of 138 fb − 1 at a center-of-mass energy of 13 TeV. Both decay channels result in a signature with a t quark, a Higgs or Z boson, and a b quark, each produced with a significant Lorentz boost. The all-hadronic decays of the Higgs or Z boson and of the t quark are selected using jet substructure techniques to reduce standard model backgrounds, resulting in a distinct three-jet W′ boson decay signature. No significant deviation in data with respect to the standard model background prediction is observed. Upper limits are set at 95% confidence level on the product of the W′ boson cross section and the final state branching fraction. A W′ boson with a mass below 3.1 TeV is excluded, given the benchmark model assumption of democratic branching fractions. In addition, limits are set based on generalizations of these assumptions. These are the most sensitive limits to date for this final state. 
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  4. A bstract A search is presented for single production of a vector-like T quark with charge 2 / 3 e , in the decay channel featuring a top quark and a Z boson, with the top quark decaying hadronically and the Z boson decaying to neutrinos. The search uses data collected by the CMS experiment in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 137 fb − 1 recorded at the CERN LHC in 2016–2018. The search is sensitive to a T quark mass between 0.6 and 1.8 TeV with decay widths ranging from negligibly small up to 30% of the T quark mass. Reconstruction strategies for the top quark are based on the degree of Lorentz boosting of its final state. At 95% confidence level, the upper limit on the product of the cross section and branching fraction for a T quark of small decay width varies between 15 and 602 fb, depending on its mass. For a T quark with decay widths between 10 and 30% of its mass, this upper limit ranges between 16 and 836 fb. For most of the studied range, the results provide the best limits to date. This is the first search for single T quark production based on the full Run 2 data set of the LHC. 
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  5. A bstract A search is presented for a right-handed W boson (W R ) and a heavy neutrino (N), in a final state consisting of two same-flavor leptons (ee or μμ) and two quarks. The search is performed with the CMS experiment at the CERN LHC using a data sample of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV corresponding to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . The search covers two regions of phase space, one where the decay products of the heavy neutrino are merged into a single large-area jet, and one where the decay products are well separated. The expected signal is characterized by an excess in the invariant mass distribution of the final-state objects. No significant excess over the standard model background expectations is observed. The observations are interpreted as upper limits on the product of W R production cross sections and branching fractions assuming that couplings are identical to those of the standard model W boson. For N masses m N equal to half the W R mass $$ {m}_{{\mathrm{W}}_{\mathrm{R}}} $$ m W R ( m N = 0 . 2 TeV), $$ {m}_{{\mathrm{W}}_{\mathrm{R}}} $$ m W R is excluded at 95% confidence level up to 4.7 (4.8) and 5.0 (5.4) TeV for the electron and muon channels, respectively. This analysis provides the most stringent limits on the W R mass to date. 
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