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Title: First measurement of the top quark pair production cross section in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13.6 TeV
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.  more » « less
Award ID(s):
2209553 2121686
PAR ID:
10463769
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2023
Issue:
8
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. 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. 
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  2. 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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  3. A<sc>bstract</sc> Measurements are presented of inclusive and differential cross sections for Z boson associated production of top quark pairs ($$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{Z} $$ t t ¯ Z ) and single top quarks (tZq or tWZ). The data were recorded in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. Events with three or more leptons, electrons or muons, are selected and a multiclass deep neural network is used to separate three event categories, the$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{Z} $$ t t ¯ Z and tWZ processes, the tZq process, and the backgrounds. A profile likelihood approach is used to unfold the differential cross sections, to account for systematic uncertainties, and to determine the correlations between the two signal categories in one global fit. The inclusive cross sections for a dilepton invariant mass between 70 and 110 GeV are measured to be 1.14 ± 0.07 pb for the sum of$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{Z} $$ t t ¯ Z and tWZ, and 0.81 ± 0.10 pb for tZq, in good agreement with theoretical predictions. 
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  4. A<sc>bstract</sc> A search for the central exclusive production of top quark-antiquark pairs ($$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ ) is performed for the first time using proton-tagged events in proton-proton collisions at the LHC at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The data correspond to an integrated luminosity of 29.4 fb−1. The$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ decay products are reconstructed using the central CMS detector, while forward protons are measured in the CMS-TOTEM precision proton spectrometer. An observed (expected) upper bound on the production cross section of 0.59 (1.14) pb is set at 95% confidence level, for collisions of protons with fractional momentum losses between 2 and 20%. 
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  5. A<sc>bstract</sc> A measurement of the top quark pair ($$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ ) production cross section in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 5.02 TeV is presented. The data were collected at the LHC in autumn 2017, in dedicated runs with low-energy and low-intensity conditions with respect to the default configuration, and correspond to an integrated luminosity of 302 pb−1. The measurement is performed using events with one electron or muon, and multiple jets, at least one of them being identified as originating from a b quark (b tagged). Events are classified based on the number of all reconstructed jets and of b-tagged jets. Multivariate analysis techniques are used to enhance the separation between the signal and backgrounds. The measured cross section is$$ 62.5\pm 1.6{\left(\textrm{stat}\right)}_{-2.5}^{+2.6}\left(\textrm{syst}\right)\pm 1.2\left(\textrm{lumi}\right) $$ 62.5 ± 1.6 stat 2.5 + 2.6 syst ± 1.2 lumi pb. A combination with the result in the dilepton channel based on the same data set yields a value of 62.3 ± 1.5 (stat) ± 2.4 (syst) ± 1.2 (lumi) pb, to be compared with the standard model prediction of$$ {69.5}_{-3.7}^{+3.5} $$ 69.5 3.7 + 3.5 pb at next-to-next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics. 
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