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Title: Search for charged-lepton flavor violation in top quark production and decay in pp collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV
A bstract Results are presented from a search for charged-lepton flavor violating (CLFV) interactions in top quark production and decay in pp collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The events are required to contain one oppositely charged electron-muon pair in the final state, along with at least one jet identified as originating from a bottom quark. The data correspond to an integrated luminosity of 138 fb − 1 , collected by the CMS experiment at the LHC. This analysis includes both the production (q → e μ t) and decay (t → e μ q) modes of the top quark through CLFV interactions, with q referring to a u or c quark. These interactions are parametrized using an effective field theory approach. With no significant excess over the standard model expectation, the results are interpreted in terms of vector-, scalar-, and tensor-like CLFV four-fermion effective interactions. Finally, observed exclusion limits are set at 95% confidence levels on the respective branching fractions of a top quark to an e μ pair and an up (charm) quark of 0 . 13 × 10 − 6 (1 . 31 × 10 − 6 ), 0 . 07 × 10 − 6 (0 . 89 × 10 − 6 ), and 0 . 25 × 10 − 6 (2 . 59 × 10 − 6 ) for vector, scalar, and tensor CLFV interactions, respectively.  more » « less
Award ID(s):
1914059 2121686
PAR ID:
10351721
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2022
Issue:
6
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. A bstract The production cross section of a top quark pair in association with a photon is measured in proton-proton collisions in the decay channel with two oppositely charged leptons ( e ± μ ∓ , e + e − , or μ + μ − ). The measurement is performed using 138 fb − 1 of proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV during the 2016–2018 data-taking period of the CERN LHC. A fiducial phase space is defined such that photons radiated by initial-state particles, top quarks, or any of their decay products are included. An inclusive cross section of 175 . 2 ± 2 . 5(stat) ± 6 . 3(syst) fb is measured in a signal region with at least one jet coming from the hadronization of a bottom quark and exactly one photon with transverse momentum above 20 GeV. Differential cross sections are measured as functions of several kinematic observables of the photon, leptons, and jets, and compared to standard model predictions. The measurements are also interpreted in the standard model effective field theory framework, and limits are found on the relevant Wilson coefficients from these results alone and in combination with a previous CMS measurement of the t $$ \overline{t} $$ t ¯ γ production process using the lepton+jets final state. 
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  2. A<sc>bstract</sc> A search for events with one top quark and missing transverse momentum in the final state is presented. The fully hadronic decay of the top quark is explored by selecting events with a reconstructed boosted top-quark topology produced in association with large missing transverse momentum. The analysis uses 139 fb−1of proton-proton collision data at a centre-of-mass energy of$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV recorded during 2015-2018 by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The results are interpreted in the context of simplified models for Dark Matter particle production and the single production of a vector-likeTquark. Without significant excess relative to the Standard Model expectations, 95% confidence-level upper limits on the corresponding cross-sections are obtained. The production of Dark Matter particles in association with a single top quark is excluded for masses of a scalar (vector) mediator up to 4.3 (2.3) TeV, assumingmχ= 1 GeV and the model couplingsλq= 0.6 andλχ= 0.4 (a= 0.5 andgχ= 1). The production of a single vector-likeTquark is excluded for masses below 1.8 TeV assuming a coupling to the top quarkκT= 0.5 and a branching ratio forT → Ztof 25%. 
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  3. A search is performed for charged-lepton flavor violating processes in top quark ( t ) production and decay. The data were collected by the CMS experiment from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV and correspond to an integrated luminosity of 138 fb 1 . The selected events are required to contain one opposite-sign electron-muon pair, a third charged lepton (electron or muon), and at least one jet of which no more than one is associated with a bottom quark. Boosted decision trees are used to distinguish signal from background, exploiting differences in the kinematics of the final states particles. The data are consistent with the standard model expectation. Upper limits at 95% confidence level are placed in the context of effective field theory on the Wilson coefficients, which range between 0.024 0.424 TeV 2 depending on the flavor of the associated light quark and the Lorentz structure of the interaction. These limits are converted to upper limits on branching fractions involving up (charm) quarks, t e μ u ( t e μ c ), of 0.032 ( 0.498 ) × 10 6 , 0.022 ( 0.369 ) × 10 6 , and 0.012 ( 0.216 ) × 10 6 for tensorlike, vectorlike, and scalarlike interactions, respectively. 
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  4. A bstract A search for the electroweak production of a vector-like quark T′, decaying to a top quark and a Higgs boson is presented. The search is based on a sample of proton-proton collision events recorded at the LHC at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . This is the first T′ search that exploits the Higgs boson decay to a pair of photons. For narrow isospin singlet T′ states with masses up to 1.1 TeV, the excellent diphoton invariant mass resolution of 1–2% results in an increased sensitivity compared to previous searches based on the same production mechanism. The electroweak production of a T′ quark with mass up to 960 GeV is excluded at 95% confidence level, assuming a coupling strength κ T = 0 . 25 and a relative decay width Γ /M T′ < 5%. 
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  5. A<sc>bstract</sc> A search for supersymmetry is presented in events with a single charged lepton, electron or muon, and multiple hadronic jets. The data correspond to an integrated luminosity of 138 fb−1of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV, recorded by the CMS experiment at the CERN LHC. The search targets gluino pair production, where the gluinos decay into final states with the lightest supersymmetric particle (LSP) and either a top quark-antiquark ($$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ ) pair, or a light-flavor quark-antiquark ($$ \textrm{q}\overline{\textrm{q}} $$ q q ¯ ) pair and a virtual or on-shell W boson. The main backgrounds,$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ pair and W+jets production, are suppressed by requirements on the azimuthal angle between the momenta of the lepton and of its reconstructed parent W boson candidate, and by top quark and W boson identification based on a machine-learning technique. The number of observed events is consistent with the expectations from standard model processes. Limits are evaluated on supersymmetric particle masses in the context of two simplified models of gluino pair production. Exclusions for gluino masses reach up to 2120 (2050) GeV at 95% confidence level for a model with gluino decay to a$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ pair (a$$ \textrm{q}\overline{\textrm{q}} $$ q q ¯ pair and a W boson) and the LSP. For the same models, limits on the mass of the LSP reach up to 1250 (1070) GeV. 
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