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Title: Search for a right-handed W boson and a heavy neutrino in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV
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.  more » « less
Award ID(s):
2121686
PAR ID:
10374167
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2022
Issue:
4
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. 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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  2. 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. 
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  3. A bstract A search for a heavy resonance decaying to a top quark and a W boson in the fully hadronic final state is presented. The analysis is performed using data from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 137 fb − 1 recorded by the CMS experiment at the LHC. The search is focused on heavy resonances, where the decay products of each top quark or W boson are expected to be reconstructed as a single, large-radius jet with a distinct substructure. The production of an excited bottom quark, b * , is used as a benchmark when setting limits on the cross section for a heavy resonance decaying to a top quark and a W boson. The hypotheses of b * quarks with left-handed, right-handed, and vector-like chiralities are excluded at 95% confidence level for masses below 2.6, 2.8, and 3.1 TeV, respectively. These are the most stringent limits on the b * quark mass to date, extending the previous best limits by almost a factor of two. 
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  4. A<sc>bstract</sc> A search for W′ bosons decaying to a top and a bottom quark in final states including an electron or a muon is performed with the CMS detector at the LHC. The analyzed data correspond to an integrated luminosity of 138 fb−1of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. Good agreement with the standard model expectation is observed and no evidence for the existence of the W′ boson is found over the mass range examined. The largest observed deviation from the standard model expectation is found for a W′ boson mass ($$ {m}_{{\textrm{W}}^{\prime }} $$ m W ) hypothesis of 3.8 TeV with a relative decay width of 1%, with a local (global) significance of 2.6 (2.0) standard deviations. Upper limits on the production cross sections of W′ bosons decaying to a top and a bottom quark are set. Left- and right-handed W′ bosons with$$ {m}_{{\textrm{W}}^{\prime }} $$ m W below 3.9 and 4.3 TeV, respectively, are excluded at the 95% confidence level, under the assumption that the new particle has a narrow decay width. Limits are also set for relative decay widths up to 30%. 
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  5. A bstract A search has been performed for heavy resonances decaying to ZZ or ZW and for axion-like particles (ALPs) mediating nonresonant ZZ or ZH production, in final states with two charged leptons ( ℓ = e , μ) produced by the decay of a Z boson, and two quarks produced by the decay of a Z, W, or Higgs boson H. The analysis is sensitive to resonances with masses in the range 450 to 2000 GeV. Two categories are defined corresponding to the merged or resolved reconstruction of the hadronically decaying boson. The search is based on data collected during 2016–2018 by the CMS experiment at the LHC in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . No significant excess is observed in the data above the standard model background expectation. Upper limits on the production cross section of heavy, narrow spin-2 and spin-1 resonances are derived as functions of the resonance mass, and exclusion limits on the production of bulk graviton particles and W′ bosons are calculated in the framework of the warped extra dimensions and heavy vector triplet models, respectively. In addition, upper limits on the ALP-mediated diboson production cross section and ALP couplings to standard model particles are obtained in the framework of linear and chiral effective field theories. These are the first limits on nonresonant ALP-mediated ZZ and ZH production obtained by the LHC experiments. 
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