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Title: Search for heavy resonances decaying to ZZ or ZW and axion-like particles mediating nonresonant ZZ or ZH production at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV
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.  more » « less
Award ID(s):
2121686
NSF-PAR ID:
10374170
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. A<sc>bstract</sc>

    This article presents a search for new resonances decaying into aZorWboson and a 125 GeV Higgs bosonh, and it targets the$$ \nu \overline{\nu}b\overline{b} $$νν¯bb¯,$$ {\ell}^{+}{\ell}^{-}b\overline{b} $$+bb¯, or$$ {\ell}^{\pm}\nu b\overline{b} $$±νbb¯final states, where=eorμ, in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV. The data used correspond to a total integrated luminosity of 139 fb1collected by the ATLAS detector during Run 2 of the LHC at CERN. The search is conducted by examining the reconstructed invariant or transverse mass distributions ofZhorWhcandidates for evidence of a localised excess in the mass range from 220 GeV to 5 TeV. No significant excess is observed and 95% confidence-level upper limits between 1.3 pb and 0.3 fb are placed on the production cross section times branching fraction of neutral and charged spin-1 resonances and CP-odd scalar bosons. These limits are converted into constraints on the parameter space of the Heavy Vector Triplet model and the two-Higgs-doublet model.

     
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  2. A<sc>bstract</sc>

    A search is reported for heavy resonances and quantum black holes decaying into eμ, eτ, and μτ final states in proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at the CERN LHC during 2016–2018 at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb1. The eμ, eτ, and μτ invariant mass spectra are reconstructed, and no evidence is found for physics beyond the standard model. Upper limits are set at 95% confidence level on the product of the cross section and branching fraction for lepton flavor violating signals. Three benchmark signals are studied: resonant τ sneutrino production inRparity violating supersymmetric models, heavy Z′ gauge bosons with lepton flavor violating decays, and nonresonant quantum black hole production in models with extra spatial dimensions. Resonant τ sneutrinos are excluded for masses up to 4.2TeV in the eμ channel, 3.7TeV in the eτ channel, and 3.6TeV in the μτ channel. A Z′ boson with lepton flavor violating couplings is excluded up to a mass of 5.0TeV in the eμ channel, up to 4.3Te V in the eτ channel, and up to 4.1TeV in the μτ channel. Quantum black holes in the benchmark model are excluded up to the threshold mass of 5.6TeV in the eμ channel, 5.2TeV in the eτ channel, and 5.0TeV in the μτ channel. In addition, model-independent limits are extracted to allow comparisons with other models for the same final states and similar event selection requirements. The results of these searches provide the most stringent limits available from collider experiments for heavy particles that undergo lepton flavor violating decays.

     
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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>

    The results of a search for Higgs boson pair (HH) production in the WW*WW*, WW*ττ, andττττdecay modes are presented. The search uses 138 fb1of proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at the LHC at a center-of-mass energy of 13 TeV from 2016 to 2018. Analyzed events contain two, three, or four reconstructed leptons, including electrons, muons, and hadronically decaying tau leptons. No evidence for a signal is found in the data. Upper limits are set on the cross section for nonresonant HH production, as well as resonant production in which a new heavy particle decays to a pair of Higgs bosons. For nonresonant production, the observed (expected) upper limit on the cross section at 95% confidence level (CL) is 21.3 (19.4) times the standard model (SM) prediction. The observed (expected) ratio of the trilinear Higgs boson self-coupling to its value in the SM is constrained to be within the interval −6.9 to 11.1 (−6.9 to 11.7) at 95% CL, and limits are set on a variety of new-physics models using an effective field theory approach. The observed (expected) limits on the cross section for resonant HH production range from 0.18 to 0.90 (0.08 to 1.06) pb at 95% CL for new heavy-particle masses in the range 250–1000 GeV.

     
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  5. 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 → 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. 
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