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Title: Search for new physics in the lepton plus missing transverse momentum final state in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV
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.  more » « less
Award ID(s):
2121686
PAR ID:
10374140
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2022
Issue:
7
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. A<sc>bstract</sc>

    A search for Higgs boson pair (HH) production with one Higgs boson decaying to two bottom quarks and the other to two W bosons are presented. The search is done using proton-proton collisions data at a centre-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb1recorded by the CMS detector at the LHC from 2016 to 2018. The final states considered include at least one leptonically decaying W boson. No evidence for the presence of a signal is observed and corresponding upper limits on the HH production cross section are derived. The limit on the inclusive cross section of the nonresonant HH production, assuming that the distributions of kinematic observables are as expected in the standard model (SM), is observed (expected) to be 14 (18) times the value predicted by the SM, at 95% confidence level. The limits on the cross section are also presented as functions of various Higgs boson coupling modifiers, and anomalous Higgs boson coupling scenarios. In addition, limits are set on the resonant HH production via spin-0 and spin-2 resonances within the mass range 250–900 GeV.

     
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  2. A bstract A search is presented for a right-handed W boson (W R ) and a heavy neutrino (N), in a final state consisting of two same-flavor leptons (ee or μμ) and two quarks. The search is performed with the CMS experiment at the CERN LHC using a data sample of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV corresponding to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . The search covers two regions of phase space, one where the decay products of the heavy neutrino are merged into a single large-area jet, and one where the decay products are well separated. The expected signal is characterized by an excess in the invariant mass distribution of the final-state objects. No significant excess over the standard model background expectations is observed. The observations are interpreted as upper limits on the product of W R production cross sections and branching fractions assuming that couplings are identical to those of the standard model W boson. For N masses m N equal to half the W R mass $$ {m}_{{\mathrm{W}}_{\mathrm{R}}} $$ m W R ( m N = 0 . 2 TeV), $$ {m}_{{\mathrm{W}}_{\mathrm{R}}} $$ m W R is excluded at 95% confidence level up to 4.7 (4.8) and 5.0 (5.4) TeV for the electron and muon channels, respectively. This analysis provides the most stringent limits on the W R mass to date. 
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  3. Abstract A search for low-mass dilepton resonances in Higgs boson decays is conducted in the four-lepton final state. The decay is assumed to proceed via a pair of beyond the standard model particles, or one such particle and a $${\mathrm{Z}}$$ Z boson. The search uses proton–proton collision data collected with the CMS detector at the CERN LHC, corresponding to an integrated luminosity of 137 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 , at a center-of-mass energy $$\sqrt{s} = 13\,\text {TeV} $$ s = 13 TeV . No significant deviation from the standard model expectation is observed. Upper limits at 95% confidence level are set on model-independent Higgs boson decay branching fractions. Additionally, limits on dark photon and axion-like particle production, based on two specific models, are reported. 
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  4. A<sc>bstract</sc>

    A search for a charged Higgs boson H±decaying into a heavy neutral Higgs boson H and a W boson is presented. The analysis targets the H decay into a pair of tau leptons with at least one of them decaying hadronically and with an additional electron or muon present in the event. The search is based on proton-proton collision data recorded by the CMS experiment during 2016–2018 at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb1. The data are consistent with standard model background expectations. Upper limits at 95% confidence level are set on the product of the cross section and branching fraction for an H±in the mass range of 300–700 GeV, assuming an H with a mass of 200 GeV. The observed limits range from 0.085 pb for an H±mass of 300 Ge V to 0.019 pb for a mass of 700 GeV. These are the first limits on H±production in the H±HW±decay channel at the LHC.

     
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  5. A<sc>bstract</sc>

    A search for dark matter particles is performed using events with a pair of W bosons and large missing transverse momentum. Candidate events are selected by requiring one or two leptons (= electrons or muons). The analysis is based on proton-proton collision data collected at a center-of-mass energy of 13 TeV by the CMS experiment at the LHC and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb1. No significant excess over the expected standard model background is observed in theℓνqq and 22νfinal states of the W+Wboson pair. Limits are set on dark matter production in the context of a simplified dark Higgs model, with a dark Higgs boson mass above the W+Wmass threshold. The dark matter phase space is probed in the mass range 100–300 GeV, extending the scope of previous searches. Current exclusion limits are improved in the range of dark Higgs masses from 160 to 250 GeV, for a dark matter mass of 200 GeV.

     
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