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Title: Search for long-lived heavy neutral leptons with displaced vertices in proton-proton collisions at $$ \sqrt{\mathrm{s}} $$ =13 TeV
A bstract A search for heavy neutral leptons (HNLs), the right-handed Dirac or Majorana neutrinos, is performed in final states with three charged leptons (electrons or muons) using proton-proton collision data collected by the CMS experiment at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV at the CERN LHC. The data correspond to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . The HNLs could be produced through mixing with standard model neutrinos ν . For small values of the HNL mass ( < 20 GeV) and the square of the HNL- ν mixing parameter (10 − 7 –10 − 2 ), the decay length of these particles can be large enough so that the secondary vertex of the HNL decay can be resolved with the CMS silicon tracker. The selected final state consists of one lepton emerging from the primary proton-proton collision vertex, and two leptons forming a displaced, secondary vertex. No significant deviations from the standard model expectations are observed, and constraints are obtained on the HNL mass and coupling strength parameters, excluding previously unexplored regions of parameter space in the mass range 1–20 GeV and squared mixing parameter values as low as 10 − 7 .  more » « less
Award ID(s):
2121686 2209443
NSF-PAR ID:
10374155
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
More Like this
  1. A<sc>bstract</sc>

    Three searches are presented for signatures of physics beyond the standard model (SM) inττfinal states in proton-proton collisions at the LHC, using a data sample collected with the CMS detector at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb1. Upper limits at 95% confidence level (CL) are set on the products of the branching fraction for the decay intoτleptons and the cross sections for the production of a new bosonϕ, in addition to the H(125) boson, via gluon fusion (ggϕ) or in association with b quarks, ranging from$$ \mathcal{O} $$O(10 pb) for a mass of 60 GeV to 0.3 fb for a mass of 3.5 TeV each. The data reveal two excesses for ggϕproduction with localp-values equivalent to about three standard deviations atmϕ= 0.1 and 1.2 TeV. In a search fort-channel exchange of a vector leptoquark U1, 95% CL upper limits are set on the dimensionless U1leptoquark coupling to quarks andτleptons ranging from 1 for a mass of 1 TeV to 6 for a mass of 5 TeV, depending on the scenario. In the interpretations of the$$ {M}_{\textrm{h}}^{125} $$Mh125and$$ {M}_{\textrm{h},\textrm{EFT}}^{125} $$Mh,EFT125minimal supersymmetric SM benchmark scenarios, additional Higgs bosons with masses below 350 GeV are excluded at 95% CL.

     
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  2. 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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  3. Abstract A search for new long-lived particles decaying to leptons using proton–proton collision data produced by the CERN LHC at $$\sqrt{s}=13\,\text {Te}\text {V} $$ s = 13 Te is presented. Events are selected with two leptons (an electron and a muon, two electrons, or two muons) that both have transverse impact parameter values between 0.01 and 10 $$\,\text {cm}$$ cm and are not required to form a common vertex. Data used for the analysis were collected with the CMS detector in 2016, 2017, and 2018, and correspond to an integrated luminosity of 118 (113) $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 in the $${{\mathrm{e}}_{\mathrm{}}^{\mathrm{}}} {{\mathrm{e}}_{\mathrm{}}^{\mathrm{}}} $$ e e channel ( $${{\mathrm{e}}_{\mathrm{}}^{\mathrm{}}} {\upmu } $$ e μ and $${\upmu } {\upmu } $$ μ μ channels). The search is designed to be sensitive to a wide range of models with displaced $${{\mathrm{e}}_{\mathrm{}}^{\mathrm{}}} {\upmu } $$ e μ , $${{\mathrm{e}}_{\mathrm{}}^{\mathrm{}}} {{\mathrm{e}}_{\mathrm{}}^{\mathrm{}}} $$ e e , and $${\upmu } {\upmu } $$ μ μ final states. The results constrain several well-motivated models involving new long-lived particles that decay to displaced leptons. For some areas of the available phase space, these are the most stringent constraints to date. 
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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 bstract A search for pair production of the supersymmetric partner of the top quark, the top squark, in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV is presented in final states containing at least one hadronically decaying tau lepton and large missing transverse momentum. This final state is highly sensitive to scenarios of supersymmetry in which the decay of the top squark to tau leptons is enhanced. The search uses a data sample corresponding to an integrated luminosity of 138 fb − 1 , which was recorded with the CMS detector during 2016–2018. No significant excess is observed with respect to the standard model predictions. Exclusion limits at 95% confidence level on the masses of the top squark and the lightest neutralino are presented under the assumptions of simplified models. The results probe top squark masses up to 1150 GeV for a nearly massless neutralino. This search covers a relatively less explored parameter space in the context of supersymmetry, and the exclusion limit is the most stringent to date for the model considered here. 
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