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Title: Search for long-lived particles using out-of-time trackless jets in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV
A bstract A search for long-lived particles decaying in the outer regions of the CMS silicon tracker or in the calorimeters is presented. The search is based on a data sample of proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV recorded with the CMS detector at the LHC in 2016–2018, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . A novel technique, using nearly trackless and out-of-time jet information combined in a deep neural network discriminator, is employed to identify decays of long-lived particles. The results are interpreted in a simplified model of chargino-neutralino production, where the neutralino is the next-to-lightest supersymmetric particle, is long-lived, and decays to a gravitino and either a Higgs or Z boson. This search is most sensitive to neutralino proper decay lengths of approximately 0.5 m, for which masses up to 1.18 TeV are excluded at 95% confidence level. The current search is the best result to date in the mass range from the kinematic limit imposed by the Higgs boson mass up to 1.8 TeV.  more » « less
Award ID(s):
2209553 2121686
PAR ID:
10463773
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<sc>bstract</sc> An inclusive search for long-lived exotic particles decaying to a pair of muons is presented. The search uses data collected by the CMS experiment at the CERN LHC in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV in 2016 and 2018 and corresponding to an integrated luminosity of 97.6 fb−1. The experimental signature is a pair of oppositely charged muons originating from a common secondary vertex spatially separated from the pp interaction point by distances ranging from several hundredμm to several meters. The results are interpreted in the frameworks of the hidden Abelian Higgs model, in which the Higgs boson decays to a pair of long-lived dark photons ZD, and of a simplified model, in which long-lived particles are produced in decays of an exotic heavy neutral scalar boson. For the hidden Abelian Higgs model withm(ZD) greater than 20 GeV and less than half the mass of the Higgs boson, they provide the best limits to date on the branching fraction of the Higgs boson to dark photons forcτ(ZD) (varying withm(ZD)) between 0.03 and ≈0.5 mm, and above ≈0.5 m. Our results also yield the best constraints on long-lived particles with masses larger than 10 GeV produced in decays of an exotic scalar boson heavier than the Higgs boson and decaying to a pair of muons. 
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  2. Abstract A search for low-mass dilepton resonances in Higgs boson decays is conducted in the four-lepton final state. The decay is assumed to proceed via a pair of beyond the standard model particles, or one such particle and a $${\mathrm{Z}}$$ Z boson. The search uses proton–proton collision data collected with the CMS detector at the CERN LHC, corresponding to an integrated luminosity of 137 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 , at a center-of-mass energy $$\sqrt{s} = 13\,\text {TeV} $$ s = 13 TeV . No significant deviation from the standard model expectation is observed. Upper limits at 95% confidence level are set on model-independent Higgs boson decay branching fractions. Additionally, limits on dark photon and axion-like particle production, based on two specific models, are reported. 
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  3. A search for long-lived particles (LLPs) decaying in the CMS muon detectors is presented. A data sample of proton-proton collisions at s = 13 TeV corresponding to an integrated luminosity of 138 fb 1 , recorded at the LHC in 2016–2018, is used. The decays of LLPs are reconstructed as high multiplicity clusters of hits in the muon detectors. In the context of twin Higgs models, the search is sensitive to LLP masses from 0.4 to 55 GeV and a broad range of LLP decay modes, including decays to hadrons, τ leptons, electrons, or photons. No excess of events above the standard model background is observed. The most stringent limits to date from LHC data are set on the branching fraction of the Higgs boson decay to a pair of LLPs with masses below 10 GeV. This search also provides the best limits for various intervals of LLP proper decay length and mass. Finally, this search sets the first limits at the LHC on a dark quantum chromodynamic sector whose particles couple to the Higgs boson through gluon, Higgs boson, photon, vector, and dark-photon portals, and is sensitive to branching fractions of the Higgs boson to dark quarks as low as 2 × 10 3 . © 2024 CERN, for the CMS Collaboration2024CERN 
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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. A<sc>bstract</sc> An inclusive search for long-lived exotic particles (LLPs) decaying to final states with a pair of muons is presented. The search uses data corresponding to an integrated luminosity of 36.6 fb−1collected by the CMS experiment from the proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13.6 TeV in 2022, the first year of Run 3 of the CERN LHC. The experimental signature is a pair of oppositely charged muons originating from a secondary vertex spatially separated from the proton-proton interaction point by distances ranging from several hundredμm to several meters. The sensitivity of the search benefits from new triggers for displaced dimuons developed for Run 3. The results are interpreted in the framework of the hidden Abelian Higgs model, in which the Higgs boson decays to a pair of long-lived dark photons, and of anR-parity violating supersymmetry model, in which long-lived neutralinos decay to a pair of muons and a neutrino. The limits set on these models are the most stringent to date in wide regions of lifetimes for LLPs with masses larger than 10 GeV. 
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