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Title: Search for strongly interacting massive particles generating trackless jets in proton–proton collisions at $$\sqrt{s} = 13\,\text {TeV} $$
Abstract A search for dark matter in the form of strongly interacting massive particles (SIMPs) using the CMS detector at the LHC is presented. The SIMPs would be produced in pairs that manifest themselves as pairs of jets without tracks. The energy fraction of jets carried by charged particles is used as a key discriminator to suppress efficiently the large multijet background, and the remaining background is estimated directly from data. The search is performed using proton–proton collision data corresponding to an integrated luminosity of 16.1 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 , collected with the CMS detector in 2016. No significant excess of events is observed above the expected background. For the simplified dark matter model under consideration, SIMPs with masses up to 100 $$\,\text {GeV}$$ GeV are excluded and further sensitivity is explored towards higher masses.  more » « less
Award ID(s):
2121686
PAR ID:
10374325
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
82
Issue:
3
ISSN:
1434-6044
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract A search for light long-lived particles (LLPs) decaying to displaced jets is presented, using a data sample of proton–proton collisions at a center-of-mass energy of 13.6 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 34.7 fb−1, collected with the CMS detector at the CERN LHC in 2022. Novel trigger, reconstruction, and machine-learning techniques were developed for and employed in this search. After all selections, the observations are consistent with the background predictions. Limits are presented on the branching fraction of the Higgs boson to LLPs that subsequently decay to quark pairs or tau lepton pairs. An improvement by up to a factor of 10 is achieved over previous limits for models with LLP masses smaller than 60 GeV and proper decay lengths smaller than 1 m. The first constraints are placed on the fraternal twin Higgs (FTH) and folded supersymmetry (FSUSY) models, where the lower bounds on the top quark partner mass reach up to 350 GeV for the FTH model and 250 GeV for the FSUSY model. 
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  2. A bstract A search is presented for new particles produced at the LHC in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, using events with energetic jets and large missing transverse momentum. The analysis is based on a data sample corresponding to an integrated luminosity of 101 fb − 1 , collected in 2017–2018 with the CMS detector. Machine learning techniques are used to define separate categories for events with narrow jets from initial-state radiation and events with large-radius jets consistent with a hadronic decay of a W or Z boson. A statistical combination is made with an earlier search based on a data sample of 36 fb − 1 , collected in 2016. No significant excess of events is observed with respect to the standard model background expectation determined from control samples in data. The results are interpreted in terms of limits on the branching fraction of an invisible decay of the Higgs boson, as well as constraints on simplified models of dark matter, on first-generation scalar leptoquarks decaying to quarks and neutrinos, and on models with large extra dimensions. Several of the new limits, specifically for spin-1 dark matter mediators, pseudoscalar mediators, colored mediators, and leptoquarks, are the most restrictive to date. 
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  3. A<sc>bstract</sc> A search for “emerging jets” produced in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV is performed using data collected by the CMS experiment corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. This search examines a hypothetical dark quantum chromodynamics (QCD) sector that couples to the standard model (SM) through a scalar mediator. The scalar mediator decays into an SM quark and a dark sector quark. As the dark sector quark showers and hadronizes, it produces long-lived dark mesons that subsequently decay into SM particles, resulting in a jet, known as an emerging jet, with multiple displaced vertices. This search looks for pair production of the scalar mediator at the LHC, which yields events with two SM jets and two emerging jets at leading order. The results are interpreted using two dark sector models with different flavor structures, and exclude mediator masses up to 1950 (1950) GeV for an unflavored (flavor-aligned) dark QCD model. The unflavored results surpass a previous search for emerging jets by setting the most stringent mediator mass exclusion limits to date, while the flavor-aligned results provide the first direct mediator mass exclusion limits to date. 
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  4. 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 (ℓ= 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 fb−1. No significant excess over the expected standard model background is observed in theℓνqq and 2ℓ2νfinal 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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  5. A bstract The first collider search for dark matter arising from a strongly coupled hidden sector is presented and uses a data sample corresponding to 138 fb −1 , collected with the CMS detector at the CERN LHC, at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV. The hidden sector is hypothesized to couple to the standard model (SM) via a heavy leptophobic Z′ mediator produced as a resonance in proton-proton collisions. The mediator decay results in two “semivisible” jets, containing both visible matter and invisible dark matter. The final state therefore includes moderate missing energy aligned with one of the jets, a signature ignored by most dark matter searches. No structure in the dijet transverse mass spectra compatible with the signal is observed. Assuming the Z′ boson has a universal coupling of 0.25 to the SM quarks, an inclusive search, relevant to any model that exhibits this kinematic behavior, excludes mediator masses of 1.5–4.0 TeV at 95% confidence level, depending on the other signal model parameters. To enhance the sensitivity of the search for this particular class of hidden sector models, a boosted decision tree (BDT) is trained using jet substructure variables to distinguish between semivisible jets and SM jets from background processes. When the BDT is employed to identify each jet in the dijet system as semivisible, the mediator mass exclusion increases to 5.1 TeV, for wider ranges of the other signal model parameters. These limits exclude a wide range of strongly coupled hidden sector models for the first time. 
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