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Title: Search for long-lived particles decaying into muon pairs in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV collected with a dedicated high-rate data stream
A bstract A search for long-lived particles decaying into muon pairs is performed using proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV, collected by the CMS experiment at the LHC in 2017 and 2018, corresponding to an integrated luminosity of 101 fb − 1 . The data sets used in this search were collected with a dedicated dimuon trigger stream with low transverse momentum thresholds, recorded at high rate by retaining a reduced amount of information, in order to explore otherwise inaccessible phase space at low dimuon mass and nonzero displacement from the primary interaction vertex. No significant excess of events beyond the standard model expectation is found. Upper limits on branching fractions at 95% confidence level are set on a wide range of mass and lifetime hypotheses in beyond the standard model frameworks with the Higgs boson decaying into a pair of long-lived dark photons, or with a long-lived scalar resonance arising from a decay of a b hadron. The limits are the most stringent to date for substantial regions of the parameter space. These results can be also used to constrain models of displaced dimuons that are not explicitly considered in this paper.  more » « less
Award ID(s):
1913356 2121686 2209460
NSF-PAR ID:
10333009
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<sc>bstract</sc>

    An inclusive search for long-lived exotic particles decaying to a pair of muons is presented. The search uses data collected by the CMS experiment at the CERN LHC in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV in 2016 and 2018 and corresponding to an integrated luminosity of 97.6 fb1. The experimental signature is a pair of oppositely charged muons originating from a common secondary vertex spatially separated from the pp interaction point by distances ranging from several hundredμm to several meters. The results are interpreted in the frameworks of the hidden Abelian Higgs model, in which the Higgs boson decays to a pair of long-lived dark photons ZD, and of a simplified model, in which long-lived particles are produced in decays of an exotic heavy neutral scalar boson. For the hidden Abelian Higgs model withm(ZD) greater than 20 GeV and less than half the mass of the Higgs boson, they provide the best limits to date on the branching fraction of the Higgs boson to dark photons for(ZD) (varying withm(ZD)) between 0.03 and ≈0.5 mm, and above ≈0.5 m. Our results also yield the best constraints on long-lived particles with masses larger than 10 GeV produced in decays of an exotic scalar boson heavier than the Higgs boson and decaying to a pair of muons.

     
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  2. A bstract A search for physics beyond the standard model (SM) in final states with an electron or muon and missing transverse momentum is presented. The analysis uses data from proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV, collected with the CMS detector at the LHC in 2016–2018 and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . No significant deviation from the SM prediction is observed. Model-independent limits are set on the production cross section of W’ bosons decaying into lepton-plus-neutrino final states. Within the framework of the sequential standard model, with the combined results from the electron and muon decay channels a W’ boson with mass less than 5.7 TeV is excluded at 95% confidence level. Results on a SM precision test, the determination of the oblique electroweak W parameter, are presented using LHC data for the first time. These results together with those from the direct W’ resonance search are used to extend existing constraints on composite Higgs scenarios. This is the first experimental exclusion on compositeness parameters using results from LHC data other than Higgs boson measurements. 
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  3. A bstract A search for physics beyond the standard model (SM) in the final state with a hadronically decaying tau lepton and a neutrino is presented. This analysis is based on data recorded by the CMS experiment from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV at the LHC, corresponding to a total integrated luminosity of 138 fb − 1 . The transverse mass spectrum is analyzed for the presence of new physics. No significant deviation from the SM prediction is observed. Limits are set on the production cross section of a W′ boson decaying into a tau lepton and a neutrino. Lower limits are set on the mass of the sequential SM-like heavy charged vector boson and the mass of a quantum black hole. Upper limits are placed on the couplings of a new boson to the SM fermions. Constraints are put on a nonuniversal gauge interaction model and an effective field theory model. For the first time, upper limits on the cross section of t -channel leptoquark (LQ) exchange are presented. These limits are translated into exclusion limits on the LQ mass and on its coupling in the t -channel. The sensitivity of this analysis extends into the parameter space of LQ models that attempt to explain the anomalies observed in B meson decays. The limits presented for the various interpretations are the most stringent to date. Additionally, a model-independent limit is provided. 
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  4. A bstract A novel search for exotic decays of the Higgs boson into pairs of long-lived neutral particles, each decaying into a bottom quark pair, is performed using 139 fb − 1 of $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV proton-proton collision data collected with the ATLAS detector at the LHC. Events consistent with the production of a Higgs boson in association with a leptonically decaying Z boson are analysed. Long-lived particle (LLP) decays are reconstructed from inner-detector tracks as displaced vertices with high mass and track multiplicity relative to Standard Model processes. The analysis selection requires the presence of at least two displaced vertices, effectively suppressing Standard Model backgrounds. The residual background contribution is estimated using a data-driven technique. No excess over Standard Model predictions is observed, and upper limits are set on the branching ratio of the Higgs boson to LLPs. Branching ratios above 10% are excluded at 95% confidence level for LLP mean proper lifetimes cτ as small as 4 mm and as large as 100 mm. For LLP masses below 40 GeV, these results represent the most stringent constraint in this lifetime regime. 
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  5. A<sc>bstract</sc>

    A search is reported for heavy resonances and quantum black holes decaying into eμ, eτ, and μτ final states in proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at the CERN LHC during 2016–2018 at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb1. The eμ, eτ, and μτ invariant mass spectra are reconstructed, and no evidence is found for physics beyond the standard model. Upper limits are set at 95% confidence level on the product of the cross section and branching fraction for lepton flavor violating signals. Three benchmark signals are studied: resonant τ sneutrino production inRparity violating supersymmetric models, heavy Z′ gauge bosons with lepton flavor violating decays, and nonresonant quantum black hole production in models with extra spatial dimensions. Resonant τ sneutrinos are excluded for masses up to 4.2TeV in the eμ channel, 3.7TeV in the eτ channel, and 3.6TeV in the μτ channel. A Z′ boson with lepton flavor violating couplings is excluded up to a mass of 5.0TeV in the eμ channel, up to 4.3Te V in the eτ channel, and up to 4.1TeV in the μτ channel. Quantum black holes in the benchmark model are excluded up to the threshold mass of 5.6TeV in the eμ channel, 5.2TeV in the eτ channel, and 5.0TeV in the μτ channel. In addition, model-independent limits are extracted to allow comparisons with other models for the same final states and similar event selection requirements. The results of these searches provide the most stringent limits available from collider experiments for heavy particles that undergo lepton flavor violating decays.

     
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