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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
NSF-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<sc>bstract</sc>

    A measurement of the top quark pole mass$$ {m}_{\textrm{t}}^{\textrm{pole}} $$mtpolein events where a top quark-antiquark pair ($$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$tt¯) is produced in association with at least one additional jet ($$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$tt¯+jet) is presented. This analysis is performed using proton-proton collision data at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV collected by the CMS experiment at the CERN LHC, corresponding to a total integrated luminosity of 36.3 fb1. Events with two opposite-sign leptons in the final state (e+e,μ+μ, e±μ) are analyzed. The reconstruction of the main observable and the event classification are optimized using multivariate analysis techniques based on machine learning. The production cross section is measured as a function of the inverse of the invariant mass of the$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$tt¯+jet system at the parton level using a maximum likelihood unfolding. Given a reference parton distribution function (PDF), the top quark pole mass is extracted using the theoretical predictions at next-to-leading order. For the ABMP16NLO PDF, this results in$$ {m}_{\textrm{t}}^{\textrm{pole}} $$mtpole= 172.93±1.36 GeV.

     
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  3. 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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  4. 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 fb1. 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$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$tt¯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±0.9stat8.0+7.7syst±1.2lumipb 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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  5. A<sc>bstract</sc>

    Three searches are presented for signatures of physics beyond the standard model (SM) inττfinal states in proton-proton collisions at the LHC, using a data sample collected with the CMS detector at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb1. Upper limits at 95% confidence level (CL) are set on the products of the branching fraction for the decay intoτleptons and the cross sections for the production of a new bosonϕ, in addition to the H(125) boson, via gluon fusion (ggϕ) or in association with b quarks, ranging from$$ \mathcal{O} $$O(10 pb) for a mass of 60 GeV to 0.3 fb for a mass of 3.5 TeV each. The data reveal two excesses for ggϕproduction with localp-values equivalent to about three standard deviations atmϕ= 0.1 and 1.2 TeV. In a search fort-channel exchange of a vector leptoquark U1, 95% CL upper limits are set on the dimensionless U1leptoquark coupling to quarks andτleptons ranging from 1 for a mass of 1 TeV to 6 for a mass of 5 TeV, depending on the scenario. In the interpretations of the$$ {M}_{\textrm{h}}^{125} $$Mh125and$$ {M}_{\textrm{h},\textrm{EFT}}^{125} $$Mh,EFT125minimal supersymmetric SM benchmark scenarios, additional Higgs bosons with masses below 350 GeV are excluded at 95% CL.

     
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