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Title: Measurement of the mass dependence of the transverse momentum of lepton pairs in Drell–Yan production in proton–proton collisions at $$\sqrt{s} = 13\,\text {Te\hspace{-.08em}V} $$
Abstract The double differential cross sections of the Drell–Yan lepton pair ($$\ell ^+\ell ^-$$ + - , dielectron or dimuon) production are measured as functions of the invariant mass$$m_{\ell \ell }$$ m , transverse momentum$$p_{\textrm{T}} (\ell \ell )$$ p T ( ) , and$$\varphi ^{*}_{\eta }$$ φ η . The$$\varphi ^{*}_{\eta }$$ φ η observable, derived from angular measurements of the leptons and highly correlated with$$p_{\textrm{T}} (\ell \ell )$$ p T ( ) , is used to probe the low-$$p_{\textrm{T}} (\ell \ell )$$ p T ( ) region in a complementary way. Dilepton masses up to 1$$\,\text {Te\hspace{-.08em}V}$$ Te V are investigated. Additionally, a measurement is performed requiring at least one jet in the final state. To benefit from partial cancellation of the systematic uncertainty, the ratios of the differential cross sections for various$$m_{\ell \ell }$$ m ranges to those in the Z mass peak interval are presented. The collected data correspond to an integrated luminosity of 36.3$$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 of proton–proton collisions recorded with the CMS detector at the LHC at a centre-of-mass energy of 13$$\,\text {Te\hspace{-.08em}V}$$ Te V . Measurements are compared with predictions based on perturbative quantum chromodynamics, including soft-gluon resummation.  more » « less
Award ID(s):
2121686
PAR ID:
10471584
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Springer
Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
83
Issue:
7
ISSN:
1434-6052
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract A measurement is presented of a ratio observable that provides a measure of the azimuthal correlations among jets with large transverse momentum$$p_{\textrm{T}}$$ p T . This observable is measured in multijet events over the range of$$p_{\textrm{T}} = 360$$ p T = 360 –$$3170\,\text {Ge}\hspace{-.08em}\text {V} $$ 3170 Ge V based on data collected by the CMS experiment in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13$$\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Te V , corresponding to an integrated luminosity of 134$$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The results are compared with predictions from Monte Carlo parton-shower event generator simulations, as well as with fixed-order perturbative quantum chromodynamics (pQCD) predictions at next-to-leading-order (NLO) accuracy obtained with different parton distribution functions (PDFs) and corrected for nonperturbative and electroweak effects. Data and theory agree within uncertainties. From the comparison of the measured observable with the pQCD prediction obtained with the NNPDF3.1 NLO PDFs, the strong coupling at the Z boson mass scale is$$\alpha _\textrm{S} (m_{{\textrm{Z}}}) =0.1177 \pm 0.0013\, \text {(exp)} _{-0.0073}^{+0.0116} \,\text {(theo)} = 0.1177_{-0.0074}^{+0.0117}$$ α S ( m Z ) = 0.1177 ± 0.0013 (exp) - 0.0073 + 0.0116 (theo) = 0 . 1177 - 0.0074 + 0.0117 , where the total uncertainty is dominated by the scale dependence of the fixed-order predictions. A test of the running of$$\alpha _\textrm{S}$$ α S in the$$\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Te V region shows no deviation from the expected NLO pQCD behaviour. 
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  2. Abstract A search for exotic decays of the Higgs boson ($$\text {H}$$ H ) with a mass of 125$$\,\text {Ge}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Ge V to a pair of light pseudoscalars$$\text {a}_{1} $$ a 1 is performed in final states where one pseudoscalar decays to two$${\textrm{b}}$$ b quarks and the other to a pair of muons or$$\tau $$ τ leptons. A data sample of proton–proton collisions at$$\sqrt{s}=13\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V} $$ s = 13 Te V corresponding to an integrated luminosity of 138$$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 recorded with the CMS detector is analyzed. No statistically significant excess is observed over the standard model backgrounds. Upper limits are set at 95% confidence level ($$\text {CL}$$ CL ) on the Higgs boson branching fraction to$$\upmu \upmu \text{ b } \text{ b } $$ μ μ b b and to$$\uptau \uptau \text{ b } \text{ b },$$ τ τ b b , via a pair of$$\text {a}_{1} $$ a 1 s. The limits depend on the pseudoscalar mass$$m_{\text {a}_{1}}$$ m a 1 and are observed to be in the range (0.17–3.3) $$\times 10^{-4}$$ × 10 - 4 and (1.7–7.7) $$\times 10^{-2}$$ × 10 - 2 in the$$\upmu \upmu \text{ b } \text{ b } $$ μ μ b b and$$\uptau \uptau \text{ b } \text{ b } $$ τ τ b b final states, respectively. In the framework of models with two Higgs doublets and a complex scalar singlet (2HDM+S), the results of the two final states are combined to determine upper limits on the branching fraction$${\mathcal {B}}(\text {H} \rightarrow \text {a}_{1} \text {a}_{1} \rightarrow \ell \ell \text{ b } \text{ b})$$ B ( H a 1 a 1 b b ) at 95%$$\text {CL}$$ CL , with$$\ell $$ being a muon or a$$\uptau $$ τ lepton. For different types of 2HDM+S, upper bounds on the branching fraction$${\mathcal {B}}(\text {H} \rightarrow \text {a}_{1} \text {a}_{1} )$$ B ( H a 1 a 1 ) are extracted from the combination of the two channels. In most of the Type II 2HDM+S parameter space,$${\mathcal {B}}(\text {H} \rightarrow \text {a}_{1} \text {a}_{1} )$$ B ( H a 1 a 1 ) values above 0.23 are excluded at 95%$$\text {CL}$$ CL for$$m_{\text {a}_{1}}$$ m a 1 values between 15 and 60$$\,\text {Ge}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Ge V
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  3. Abstract A measurement of the dijet production cross section is reported based on proton–proton collision data collected in 2016 at$$\sqrt{s}=13\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V} $$ s = 13 Te V by the CMS experiment at the CERN LHC, corresponding to an integrated luminosity of up to 36.3$$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . Jets are reconstructed with the anti-$$k_{\textrm{T}} $$ k T algorithm for distance parameters of$$R=0.4$$ R = 0.4 and 0.8. Cross sections are measured double-differentially (2D) as a function of the largest absolute rapidity$$|y |_{\text {max}} $$ | y | max of the two jets with the highest transverse momenta$$p_{\textrm{T}}$$ p T and their invariant mass$$m_{1,2} $$ m 1 , 2 , and triple-differentially (3D) as a function of the rapidity separation$$y^{*} $$ y , the total boost$$y_{\text {b}} $$ y b , and either$$m_{1,2} $$ m 1 , 2 or the average$$p_{\textrm{T}}$$ p T of the two jets. The cross sections are unfolded to correct for detector effects and are compared with fixed-order calculations derived at next-to-next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics. The impact of the measurements on the parton distribution functions and the strong coupling constant at the mass of the$${\text {Z}} $$ Z boson is investigated, yielding a value of$$\alpha _\textrm{S} (m_{{\text {Z}}}) =0.1179\pm 0.0019$$ α S ( m Z ) = 0.1179 ± 0.0019
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  4. Abstract A search for decays to invisible particles of Higgs bosons produced in association with a top-antitop quark pair or a vector boson, which both decay to a fully hadronic final state, has been performed using proton-proton collision data collected at$${\sqrt{s}=13\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V}}$$ s = 13 Te V by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138$$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The 95% confidence level upper limit set on the branching fraction of the 125$$\,\text {Ge}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Ge V Higgs boson to invisible particles,$${\mathcal {B}({\textrm{H}} \rightarrow \text {inv})}$$ B ( H inv ) , is 0.54 (0.39 expected), assuming standard model production cross sections. The results of this analysis are combined with previous$${\mathcal {B}({\textrm{H}} \rightarrow \text {inv})}$$ B ( H inv ) searches carried out at$${\sqrt{s}=7}$$ s = 7 , 8, and 13$$\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Te V in complementary production modes. The combined upper limit at 95% confidence level on$${\mathcal {B}({\textrm{H}} \rightarrow \text {inv})}$$ B ( H inv ) is 0.15 (0.08 expected). 
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  5. Abstract The total charm-quark production cross section per unit of rapidity$$\textrm{d}\sigma ({{\textrm{c}}\overline{\textrm{c}}})/\textrm{d}y$$ d σ ( c c ¯ ) / d y , and the fragmentation fractions of charm quarks to different charm-hadron species$$f(\textrm{c}\rightarrow {\textrm{h}}_{\textrm{c}})$$ f ( c h c ) , are measured for the first time in p–Pb collisions at$$\sqrt{s_\textrm{NN}} = 5.02~\text {Te}\hspace{-1.00006pt}\textrm{V} $$ s NN = 5.02 Te V at midrapidity ($$-0.96<0.04$$ - 0.96 < y < 0.04 in the centre-of-mass frame) using data collected by ALICE at the CERN LHC. The results are obtained based on all the available measurements of prompt production of ground-state charm-hadron species:$$\textrm{D}^{0}$$ D 0 ,$$\textrm{D}^{+}$$ D + ,$$\textrm{D}_\textrm{s}^{+}$$ D s + , and$$\mathrm {J/\psi }$$ J / ψ mesons, and$$\Lambda _\textrm{c}^{+}$$ Λ c + and$$\Xi _\textrm{c}^{0}$$ Ξ c 0 baryons. The resulting cross section is$$ \textrm{d}\sigma ({{\textrm{c}}\overline{\textrm{c}}})/\textrm{d}y =219.6 \pm 6.3\;(\mathrm {stat.}) {\;}_{-11.8}^{+10.5}\;(\mathrm {syst.}) {\;}_{-2.9}^{+8.3}\;(\mathrm {extr.})\pm 5.4\;(\textrm{BR})\pm 4.6\;(\mathrm {lumi.}) \pm 19.5\;(\text {rapidity shape})+15.0\;(\Omega _\textrm{c}^{0})\;\textrm{mb} $$ d σ ( c c ¯ ) / d y = 219.6 ± 6.3 ( stat . ) - 11.8 + 10.5 ( syst . ) - 2.9 + 8.3 ( extr . ) ± 5.4 ( BR ) ± 4.6 ( lumi . ) ± 19.5 ( rapidity shape ) + 15.0 ( Ω c 0 ) mb , which is consistent with a binary scaling of pQCD calculations from pp collisions. The measured fragmentation fractions are compatible with those measured in pp collisions at$$\sqrt{s} = 5.02$$ s = 5.02 and 13 TeV, showing an increase in the relative production rates of charm baryons with respect to charm mesons in pp and p–Pb collisions compared with$$\mathrm {e^{+}e^{-}}$$ e + e - and$$\mathrm {e^{-}p}$$ e - p collisions. The$$p_\textrm{T}$$ p T -integrated nuclear modification factor of charm quarks,$$R_\textrm{pPb}({\textrm{c}}\overline{\textrm{c}})= 0.91 \pm 0.04\;\mathrm{(stat.)} ^{+0.08}_{-0.09}\;\mathrm{(syst.)} ^{+0.05}_{-0.03}\;\mathrm{(extr.)} \pm 0.03\;\mathrm{(lumi.)}$$ R pPb ( c c ¯ ) = 0.91 ± 0.04 ( stat . ) - 0.09 + 0.08 ( syst . ) - 0.03 + 0.05 ( extr . ) ± 0.03 ( lumi . ) , is found to be consistent with unity and with theoretical predictions including nuclear modifications of the parton distribution functions. 
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