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Title: Measurement of the Drell-Yan forward-backward asymmetry at high dilepton masses in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV
A bstract A measurement of the forward-backward asymmetry of pairs of oppositely charged leptons (dimuons and dielectrons) produced by the Drell-Yan process in proton-proton collisions is presented. The data sample corresponds to an integrated luminosity of 138 fb − 1 collected with the CMS detector at the LHC at a center-of-mass energy of 13 TeV. The asymmetry is measured as a function of lepton pair mass for masses larger than 170 GeV and compared with standard model predictions. An inclusive measurement across both channels and the full mass range yields an asymmetry of 0 . 612 ± 0 . 005 (stat) ± 0 . 007 (syst). As a test of lepton flavor universality, the difference between the dimuon and dielectron asymmetries is measured as well. No statistically significant deviations from standard model predictions are observed. The measurements are used to set limits on the presence of additional gauge bosons. For a Z′ boson in the sequential standard model the observed (expected) 95% confidence level lower limit on the Z′ mass is 4.4 TeV (3.7 TeV).  more » « less
Award ID(s):
2012584 2121686
NSF-PAR ID:
10420357
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2022
Issue:
8
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. A bstract Inclusive and differential cross sections of single top quark production in association with a Z boson are measured in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV with a data sample corresponding to an integrated luminosity of 138 fb − 1 recorded by the CMS experiment. Events are selected based on the presence of three leptons, electrons or muons, associated with leptonic Z boson and top quark decays. The measurement yields an inclusive cross section of $$ {87.9}_{-7.3}^{+7.5}{\left(\mathrm{stat}\right)}_{-6.0}^{+7.3}\left(\mathrm{syst}\right) $$ 87.9 − 7.3 + 7.5 stat − 6.0 + 7.3 syst fb for a dilepton invariant mass greater than 30 GeV, in agreement with standard model (SM) calculations and represents the most precise determination to date. The ratio between the cross sections for the top quark and the top antiquark production in association with a Z boson is measured as $$ {2.37}_{-0.42}^{+0.56}{\left(\mathrm{stat}\right)}_{-0.13}^{+0.27}\left(\mathrm{syst}\right) $$ 2.37 − 0.42 + 0.56 stat − 0.13 + 0.27 syst . Differential measurements at parton and particle levels are performed for the first time. Several kinematic observables are considered to study the modeling of the process. Results are compared to theoretical predictions with different assumptions on the source of the initial-state b quark and found to be in agreement, within the uncertainties. Additionally, the spin asymmetry, which is sensitive to the top quark polarization, is determined from the differential distribution of the polarization angle at parton level to be 0 . 54 ± 0 . 16 (stat) ± 0 . 06 (syst), in agreement with SM predictions. 
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  2. A bstract The associated production of a W and a Z boson is studied in final states with multiple leptons produced in proton-proton (pp) collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV using 137 fb − 1 of data collected with the CMS detector at the LHC. A measurement of the total inclusive production cross section yields σ tot (pp → WZ) = 50 . 6 ± 0 . 8 (stat) ± 1 . 5 (syst) ± 1 . 1 (lumi) ± 0 . 5 (theo) pb. Measurements of the fiducial and differential cross sections for several key observables are also performed in all the final-state lepton flavour and charge compositions with a total of three charged leptons, which can be electrons or muons. All results are compared with theoretical predictions computed up to next-to-next-to-leading order in quantum chromodynamics plus next-to-leading or- der in electroweak theory and for various sets of parton distribution functions. The results include direct measurements of the charge asymmetry and the W and Z vector boson polarization. The first observation of longitudinally polarized W bosons in WZ production is reported. Anomalous gauge couplings are searched for, leading to new constraints on beyond-the-standard-model contributions to the WZ triple gauge coupling. 
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  3. A<sc>bstract</sc>

    Results are presented from a search for the Higgs boson decay HZγ, where Z→ ℓ+with= e or μ. The search is performed using a sample of proton-proton (pp) collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV, recorded by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb1. Events are assigned to mutually exclusive categories, which exploit differences in both event topology and kinematics of distinct Higgs production mechanisms to enhance signal sensitivity. The signal strengthμ, defined as the product of the cross section and the branching fraction$$ \left[\sigma \left(\textrm{pp}\to \textrm{H}\right)\mathcal{B}\left(\textrm{H}\to \textrm{Z}\upgamma \right)\right] $$σppHBHrelative to the standard model prediction, is extracted from a simultaneous fit to the+γ invariant mass distributions in all categories and is measured to beμ= 2.4 ± 0.9 for a Higgs boson mass of 125.38 GeV. The statistical significance of the observed excess of events is 2.7 standard deviations. This measurement corresponds to$$ \left[\sigma \left(\textrm{pp}\to \textrm{H}\right)\mathcal{B}\left(\textrm{H}\to \textrm{Z}\upgamma \right)\right]=0.21\pm 0.08 $$σppHBH=0.21±0.08pb. The observed (expected) upper limit at 95% confidence level onμis 4.1 (1.8), where the expected limit is calculated under the background-only hypothesis. The ratio of branching fractions$$ \mathcal{B}\left(\textrm{H}\to \textrm{Z}\upgamma \right)/\mathcal{B}\left(\textrm{H}\to \upgamma \upgamma \right) $$BH/BHγγis measured to be$$ {1.5}_{-0.6}^{+0.7} $$1.50.6+0.7, which agrees with the standard model prediction of 0.69 ± 0.04 at the 1.5 standard deviation level.

     
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  4. A bstract A measurement of four-top-quark production using proton-proton collision data at a centre-of-mass energy of 13 TeV collected by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider corresponding to an integrated luminosity of 139 fb − 1 is presented. Events are selected if they contain a single lepton (electron or muon) or an opposite-sign lepton pair, in association with multiple jets. The events are categorised according to the number of jets and how likely these are to contain b -hadrons. A multivariate technique is then used to discriminate between signal and background events. The measured four-top-quark production cross section is found to be $$ {26}_{-15}^{+17} $$ 26 − 15 + 17 fb, with a corresponding observed (expected) significance of 1.9 (1.0) standard deviations over the background-only hypothesis. The result is combined with the previous measurement performed by the ATLAS Collaboration in the multilepton final state. The combined four-top-quark production cross section is measured to be $$ {24}_{-6}^{+7} $$ 24 − 6 + 7 fb, with a corresponding observed (expected) signal significance of 4.7 (2.6) standard deviations over the background-only predictions. It is consistent within 2.0 standard deviations with the Standard Model expectation of 12 . 0 ± 2 . 4 fb. 
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  5. A bstract The top quark pair production cross section is measured in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 5.02 TeV. The data were collected in a special LHC low-energy and low-intensity run in 2017, and correspond to an integrated luminosity of 302 pb − 1 . The measurement is performed using events with one electron and one muon of opposite charge, and at least two jets. The measured cross section is 60 . 7 ± 5 . 0 (stat) ± 2 . 8 (syst) ± 1 . 1 (lumi) pb. A combination with the result in the single lepton + jets channel, based on data collected in 2015 at the same center-of-mass energy and corresponding to an integrated luminosity of 27.4 pb − 1 , is then performed. The resulting measured value is 63 . 0 ± 4 . 1 (stat) ± 3 . 0 (syst+lumi) pb, in agreement with the standard model prediction of $$ {66.8}_{-3.1}^{+2.9} $$ 66.8 − 3.1 + 2.9 pb. 
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