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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
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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  2. A<sc>bstract</sc> A search for direct production of low-mass dimuon resonances is performed using$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV proton-proton collision data collected by the CMS experiment during the 2017–2018 operation of the CERN LHC with an integrated luminosity of 96.6 fb−1. The search exploits a dedicated high-rate trigger stream that records events with two muons with transverse momenta as low as 3 GeV but does not include the full event information. The search is performed by looking for narrow peaks in the dimuon mass spectrum in the ranges of 1.1–2.6 GeV and 4.2–7.9 GeV. No significant excess of events above the expectation from the standard model background is observed. Model-independent limits on production rates of dimuon resonances within the experimental fiducial acceptance are set. Competitive or world’s best limits are set at 90% confidence level for a minimal dark photon model and for a scenario with two Higgs doublets and an extra complex scalar singlet (2HDM+S). Values of the squared kinetic mixing coefficientε2in the dark photon model above 10−6are excluded over most of the mass range of the search. In the 2HDM+S, values of the mixing angle sin(θH) above 0.08 are excluded over most of the mass range of the search with a fixed ratio of the Higgs doublets vacuum expectation tanβ= 0.5. 
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  3. 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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  4. 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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  5. 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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