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This content will become publicly available on June 1, 2023

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 more » (0 . 89 × 10 − 6 ), and 0 . 25 × 10 − 6 (2 . 59 × 10 − 6 ) for vector, scalar, and tensor CLFV interactions, respectively. « less
Authors:
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Award ID(s):
1914059 2121686
Publication Date:
NSF-PAR ID:
10351721
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2022
Issue:
6
ISSN:
1029-8479
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 alonemore »and in combination with a previous CMS measurement of the t $$ \overline{t} $$ t ¯ γ production process using the lepton+jets final state.« less
  2. 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 tomore »date. This is the first search for single T quark production based on the full Run 2 data set of the LHC.« less
  3. Abstract A search for direct pair production of scalar partners of the top quark (top squarks or scalar third-generation up-type leptoquarks) in the all-hadronic $$t{\bar{t}}$$ t t ¯ plus missing transverse momentum final state is presented. The analysis of 139  $$\hbox {fb}^{-1}$$ fb - 1 of $${\sqrt{s}=13}$$ s = 13  TeV proton–proton collision data collected using the ATLAS detector at the LHC yields no significant excess over the Standard Model background expectation. To interpret the results, a supersymmetric model is used where the top squark decays via $${\tilde{t}} \rightarrow t^{(*)} {\tilde{\chi }}^0_1$$ t ~ → t ( ∗ ) χ ~ 1 0 , with $$t^{(*)}$$ t ( ∗ ) denoting an on-shell (off-shell) top quark and $${\tilde{\chi }}^0_1$$ χ ~ 1 0 the lightest neutralino. Three specific event selections are optimised for the following scenarios. In the scenario where $$m_{{\tilde{t}}}> m_t+m_{{\tilde{\chi }}^0_1}$$ m t ~ > m t + m χ ~ 1 0 , top squark masses are excluded in the range 400–1250 GeV for $${\tilde{\chi }}^0_1$$ χ ~ 1 0 masses below 200 GeV at 95% confidence level. In the situation where $$m_{{\tilde{t}}}\sim m_t+m_{{\tilde{\chi }}^0_1}$$ m t ~ ∼ m t + m χ ~ 1 0 , topmore »squark masses in the range 300–630 GeV are excluded, while in the case where $$m_{{\tilde{t}}}< m_W+m_b+m_{{\tilde{\chi }}^0_1}$$ m t ~ < m W + m b + m χ ~ 1 0 (with $$m_{{\tilde{t}}}-m_{{\tilde{\chi }}^0_1}\ge 5$$ m t ~ - m χ ~ 1 0 ≥ 5  GeV), considered for the first time in an ATLAS all-hadronic search, top squark masses in the range 300–660 GeV are excluded. Limits are also set for scalar third-generation up-type leptoquarks, excluding leptoquarks with masses below 1240 GeV when considering only leptoquark decays into a top quark and a neutrino.« less
  4. A bstract A search for new heavy resonances decaying to a pair of Higgs bosons (HH) in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV is presented. Data were collected with the CMS detector at the LHC in 2016–2018, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . Resonances with a mass between 0.8 and 4.5 TeV are considered using events in which one Higgs boson decays into a bottom quark pair and the other into final states with either one or two charged leptons. Specifically, the single-lepton decay channel $$ \mathrm{HH}\to \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}}{\mathrm{WW}}^{\ast}\to \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}}\ell v\mathrm{q}{\overline{\mathrm{q}}}^{\prime } $$ HH → b b ¯ WW ∗ → b b ¯ ℓ v q q ¯ ′ and the dilepton decay channels $$ \mathrm{HH}\to \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}}{\mathrm{WW}}^{\ast}\to \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}}\ell v\ell v $$ HH → b b ¯ WW ∗ → b b ¯ ℓ v ℓ v and $$ \mathrm{HH}\to \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}}\uptau \uptau \to \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}}\ell vv\ell vv $$ HH → b b ¯ ττ → b b ¯ ℓ vv ℓ vv are examined, where ℓ in the final state corresponds to an electron or muon. The signal is extracted using a two-dimensional maximum likelihood fit of the $$ \mathrm{H}\to \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}} $$ H →more »b b ¯ jet mass and HH invariant mass distributions. No significant excess above the standard model expectation is observed in data. Model-independent exclusion limits are placed on the product of the cross section and branching fraction for narrow spin-0 and spin-2 massive bosons decaying to HH. The results are also interpreted in the context of radion and bulk graviton production in models with a warped extra spatial dimension. The results provide the most stringent limits to date for X → HH signatures with final-state leptons and at some masses provide the most sensitive limits of all X → HH searches.« less
  5. Abstract A search for pair production of scalar leptoquarks, each decaying into either an electron or a muon and a top quark, is presented. This is the first leptoquark search using ATLAS data to investigate top-philic cross-generational couplings that could provide explanations for recently observed anomalies in B meson decays. This analysis targets high leptoquark masses which cause the decay products of each resultant top quark to be contained within a single high- $$p_{\mathrm {T}}$$ p T large-radius jet. The full Run 2 dataset is exploited, consisting of $$139~\hbox {fb}^{-1}$$ 139 fb - 1 of data collected from proton–proton collisions at $$\sqrt{s}=13~\mathrm {TeV}$$ s = 13 TeV from 2015 to 2018 with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. In the absence of any significant deviation from the background expectation, lower limits on the leptoquark masses are set at $$1480~\mathrm {GeV}$$ 1480 GeV and $$1470~\mathrm {GeV}$$ 1470 GeV for the electron and muon channel, respectively.