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This content will become publicly available on April 1, 2023

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.
Authors:
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Award ID(s):
1913356
Publication Date:
NSF-PAR ID:
10333009
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2022
Issue:
4
ISSN:
1029-8479
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. 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 ofmore »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.« less
  2. A bstract Searches are performed for a low-mass dimuon resonance, X , produced in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV, using a data sample corresponding to an integrated luminosity of 5.1 fb − 1 and collected with the LHCb detector. The X bosons can either decay promptly or displaced from the proton-proton collision, where in both cases the requirements placed on the event and the assumptions made about the production mechanisms are kept as minimal as possible. The searches for promptly decaying X bosons explore the mass range from near the dimuon threshold up to 60 GeV,more »with nonnegligible X widths considered above 20 GeV. The searches for displaced X → μ + μ − decays consider masses up to 3 GeV. None of the searches finds evidence for a signal and 90% confidence-level exclusion limits are placed on the X → μ + μ − cross sections, each with minimal model dependence. In addition, these results are used to place world-leading constraints on GeV-scale bosons in the two-Higgs-doublet and hidden-valley scenarios.« less
  3. A bstract A search for a light pseudoscalar Higgs boson (a) decaying from the 125 GeV (or a heavier) scalar Higgs boson (H) is performed using the 2016 LHC proton-proton collision data at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 35 . 9 fb − 1 , collected by the CMS experiment. The analysis considers gluon fusion and vector boson fusion production of the H, followed by the decay H → aa → μμττ , and considers pseudoscalar masses in the range 3 . 6 < m a < 21 GeV. Because of themore »large mass difference between the H and the a bosons and the small masses of the a boson decay products, both the μμ and the ττ pairs have high Lorentz boost and are collimated. The ττ reconstruction efficiency is increased by modifying the standard technique for hadronic τ lepton decay reconstruction to account for a nearby muon. No significant signal is observed. Model-independent limits are set at 95% confidence level, as a function of m a , on the branching fraction (ℬ) for H → aa → μμττ , down to 1 . 5 (2 . 0) × 10 − 4 for m H = 125 (300) GeV. Model-dependent limits on ℬ(H → aa) are set within the context of two Higgs doublets plus singlet models, with the most stringent results obtained for Type-III models. These results extend current LHC searches for heavier a bosons that decay to resolved lepton pairs and provide the first such bounds for an H boson with a mass above 125 GeV.« less
  4. 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
  5. Abstract A search is performed for massive long-lived particles (LLPs) decaying semileptonically into a muon and two quarks. Two kinds of LLP production processes were considered. In the first, a Higgs-like boson with mass from 30 to 200 $$\text {\,GeV\!/}c^2$$ \,GeV\!/ c 2 is produced by gluon fusion and decays into two LLPs. The analysis covers LLP mass values from 10 $$\text {\,GeV\!/}c^2$$ \,GeV\!/ c 2 up to about one half the Higgs-like boson mass. The second LLP production mode is directly from quark interactions, with LLP masses from 10 to 90 $$\text {\,GeV\!/}c^2$$ \,GeV\!/ c 2 . The LLPmore »lifetimes considered range from 5 to 200 ps. This study uses LHCb data collected from proton-proton collisions at $$\sqrt{s} = 13\text {\,TeV} $$ s = 13 \,TeV , corresponding to an integrated luminosity of 5.4 $$\text {\,fb} ^{-1}$$ \,fb - 1 . No evidence of these long-lived states has been observed, and upper limits on the production cross-section times branching ratio have been set for each model considered.« less