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Title: Measurement of the cross section of top quark-antiquark pair production in association with a W boson in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV
A bstract The production of a top quark-antiquark pair in association with a W boson ( $$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{W} $$ t t ¯ W ) is measured in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The analyzed data was recorded by the CMS experiment at the CERN LHC and corresponds to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . Events with two or three leptons (electrons and muons) and additional jets are selected. In events with two leptons, a multiclass neural network is used to distinguish between the signal and background processes. Events with three leptons are categorized based on the number of jets and of jets originating from b quark hadronization, and the lepton charges. The inclusive $$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{W} $$ t t ¯ W production cross section in the full phase space is measured to be 868 ± 40(stat) ± 51(syst) fb. The $$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{W} $$ t t ¯ W + and $$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{W} $$ t t ¯ W − cross sections are also measured as 553 ± 30(stat) ± 30(syst) and 343 ± 26(stat) ± 25(syst) fb, respectively, and the corresponding ratio of the two cross sections is found to be $$ 1.61\pm 0.15{\left(\textrm{stat}\right)}_{-0.05}^{+0.07}\left(\textrm{syst}\right) $$ 1.61 ± 0.15 stat − 0.05 + 0.07 syst . The measured cross sections are larger than but consistent with the standard model predictions within two standard deviations, and represent the most precise measurement of these cross sections to date.  more » « less
Award ID(s):
2209764 2121686
PAR ID:
10437627
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2023
Issue:
7
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. A bstract The first measurement of the top quark pair ( $$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ ) production cross section in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 . 6 TeV is presented. Data recorded with the CMS detector at the CERN LHC in Summer 2022, corresponding to an integrated luminosity of 1 . 21 fb − 1 , are analyzed. Events are selected with one or two charged leptons (electrons or muons) and additional jets. A maximum likelihood fit is performed in event categories defined by the number and flavors of the leptons, the number of jets, and the number of jets identified as originating from b quarks. An inclusive $$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ production cross section of 881 ± 23 (stat + syst) ± 20 (lumi) pb is measured, in agreement with the standard model prediction of $$ {924}_{-40}^{+32} $$ 924 − 40 + 32 pb. 
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  2. 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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  3. A<sc>bstract</sc> Measurements of the inclusive and normalised differential cross sections are presented for the production of single top quarks in association with a W boson in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The data used were recorded with the CMS detector at the LHC during 2016–2018, and correspond to an integrated luminosity of 138 fb−1. Events containing one electron and one muon in the final state are analysed. For the inclusive measurement, a multivariate discriminant, exploiting the kinematic properties of the events is used to separate the signal from the dominant$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ background. A cross section of$$ 79.2\pm 0.9{\left(\textrm{stat}\right)}_{-8.0}^{+7.7}\left(\textrm{syst}\right)\pm 1.2\left(\textrm{lumi}\right) $$ 79.2 ± 0.9 stat 8.0 + 7.7 syst ± 1.2 lumi pb is obtained, consistent with the predictions of the standard model. For the differential measurements, a fiducial region is defined according to the detector acceptance, and the requirement of exactly one jet coming from the fragmentation of a bottom quark. The resulting distributions are unfolded to particle level and agree with the predictions at next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics. 
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  4. A bstract The production cross section of a top quark pair in association with a photon is measured in proton-proton collisions in the decay channel with two oppositely charged leptons ( e ± μ ∓ , e + e − , or μ + μ − ). The measurement is performed using 138 fb − 1 of proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV during the 2016–2018 data-taking period of the CERN LHC. A fiducial phase space is defined such that photons radiated by initial-state particles, top quarks, or any of their decay products are included. An inclusive cross section of 175 . 2 ± 2 . 5(stat) ± 6 . 3(syst) fb is measured in a signal region with at least one jet coming from the hadronization of a bottom quark and exactly one photon with transverse momentum above 20 GeV. Differential cross sections are measured as functions of several kinematic observables of the photon, leptons, and jets, and compared to standard model predictions. The measurements are also interpreted in the standard model effective field theory framework, and limits are found on the relevant Wilson coefficients from these results alone and in combination with a previous CMS measurement of the t $$ \overline{t} $$ t ¯ γ production process using the lepton+jets final state. 
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  5. A<sc>bstract</sc> The first measurement of the inclusive and normalised differential cross sections of single top quark production in association with a W boson in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13.6 TeV is presented. The data were recorded with the CMS detector at the LHC in 2022, and correspond to an integrated luminosity of 34.7 fb−1. The analysed events contain one muon and one electron in the final state. For the inclusive measurement, multivariate discriminants exploiting the kinematic properties of the events are used to separate the signal from the dominant top quark-antiquark production background. A cross section of$$ 82.3\pm 2.1{\left(\textrm{stat}\right)}_{-9.7}^{+9.9}\left(\textrm{syst}\right)\pm 3.3\left(\textrm{lumi}\right) $$ 82.3 ± 2.1 stat 9.7 + 9.9 syst ± 3.3 lumi pb is obtained, consistent with the predictions of the standard model. A fiducial region is defined according to the detector acceptance to perform the differential measurements. The resulting differential distributions are unfolded to particle level and show good agreement with the predictions at next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics. 
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