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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
NSF-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
More Like this
  1. 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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  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. null (Ed.)
    A bstract A search for new phenomena with top quark pairs in final states with one isolated electron or muon, multiple jets, and large missing transverse momentum is performed. Signal regions are designed to search for two-, three-, and four-body decays of the directly pair-produced supersymmetric partner of the top quark (stop). Additional signal regions are designed specifically to search for spin-0 mediators that are produced in association with a pair of top quarks and decay into a pair of dark-matter particles. The search is performed using the Large Hadron Collider proton-proton collision dataset at a centre-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV recorded by the ATLAS detector from 2015 to 2018, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb − 1 . No significant excess above the Standard Model background is observed, and limits at 95% confidence level are set in the stop-neutralino mass plane and as a function of the mediator mass or the dark-matter particle mass. Stops are excluded up to 1200 GeV (710 GeV) in the two-body (three-body) decay scenario. In the four-body scenario stops up to 640 GeV are excluded for a stop-neutralino mass difference of 60 GeV. Scalar and pseudoscalar dark-matter mediators are excluded up to 200 GeV when the coupling strengths of the mediator to Standard Model and dark-matter particles are both equal to one and when the mass of the dark-matter particle is 1 GeV. 
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  4. A bstract A search for long-lived particles (LLPs) produced in association with a Z boson is presented. The study is performed using data from proton-proton collisions with a center-of-mass energy of 13 TeV recorded by the CMS experiment during 2016–2018, corresponding to an integrated luminosity of 117 fb − 1 . The LLPs are assumed to decay to a pair of standard model quarks that are identified as displaced jets within the CMS tracker system. Triggers and selections based on Z boson decays to electron or muon pairs improve the sensitivity to light LLPs (down to 15 GeV). This search provides sensitivity to beyond the standard model scenarios which predict LLPs produced in association with a Z boson. In particular, the results are interpreted in the context of exotic decays of the Higgs boson to a pair of scalar LLPs (H → SS). The Higgs boson decay branching fraction is constrained to values less than 6% for proper decay lengths of 10–100 mm and for LLP masses between 40 and 55 GeV. In the case of low-mass ( ≈ 15 GeV) scalar particles that subsequently decay to a pair of b quarks, the search is sensitive to branching fractions $$ \mathcal{B} $$ B (H → SS) < 20% for proper decay lengths of 10–50 mm. The use of associated production with a Z boson increases the sensitivity to low-mass LLPs of this analysis with respect to gluon fusion searches. In the case of 15 GeV scalar LLPs, the improvement corresponds to a factor of 2 at a proper decay length of 30 mm. 
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  5. Abstract

    A search is reported for pairs of light Higgs bosons ($${\textrm{H}} _1$$H1) produced in supersymmetric cascade decays in final states with small missing transverse momentum. A data set of LHC$$\hbox {pp}$$ppcollisions collected with the CMS detector at$$\sqrt{s}=13\,\text {TeV} $$s=13TeVand corresponding to an integrated luminosity of 138$$\,\text {fb}^{-1}$$fb-1is used. The search targets events where both$${\textrm{H}} _1$$H1bosons decay into Equation missing<#comment/>pairs that are reconstructed as large-radius jets using substructure techniques. No evidence is found for an excess of events beyond the background expectations of the standard model (SM). Results from the search are interpreted in the next-to-minimal supersymmetric extension of the SM, where a “singlino” of small mass leads to squark and gluino cascade decays that can predominantly end in a highly Lorentz-boosted singlet-like$${\textrm{H}} _1$$H1and a singlino-like neutralino of small transverse momentum. Upper limits are set on the product of the squark or gluino pair production cross section and the square of the Equation missing<#comment/>branching fraction of the$${\textrm{H}} _1$$H1in a benchmark model containing almost mass-degenerate gluinos and light-flavour squarks. Under the assumption of an SM-like Equation missing<#comment/>branching fraction,$${\textrm{H}} _1$$H1bosons with masses in the range 40–120$$\,\text {GeV}$$GeVarising from the decays of squarks or gluinos with a mass of 1200–2500$$\,\text {GeV}$$GeVare excluded at 95% confidence level.

     
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