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Title: Observation of four-top-quark production in the multilepton final state with the ATLAS detector
Abstract This paper presents the observation of four-top-quark ($$t\bar{t}t\bar{t}$$ t t ¯ t t ¯ ) production in proton-proton collisions at the LHC. The analysis is performed using an integrated luminosity of 140 $$\hbox {fb}^{-1}$$ fb - 1 at a centre-of-mass energy of 13 TeV collected using the ATLAS detector. Events containing two leptons with the same electric charge or at least three leptons (electrons or muons) are selected. Event kinematics are used to separate signal from background through a multivariate discriminant, and dedicated control regions are used to constrain the dominant backgrounds. The observed (expected) significance of the measured$$t\bar{t}t\bar{t}$$ t t ¯ t t ¯ signal with respect to the standard model (SM) background-only hypothesis is 6.1 (4.3) standard deviations. The$$t\bar{t}t\bar{t}$$ t t ¯ t t ¯ production cross section is measured to be$$22.5^{+6.6}_{-5.5}$$ 22 . 5 - 5.5 + 6.6  fb, consistent with the SM prediction of$$12.0 \pm 2.4$$ 12.0 ± 2.4 fb within 1.8 standard deviations. Data are also used to set limits on the three-top-quark production cross section, being an irreducible background not measured previously, and to constrain the top-Higgs Yukawa coupling and effective field theory operator coefficients that affect$$t\bar{t}t\bar{t}$$ t t ¯ t t ¯ production.  more » « less
Award ID(s):
2046280
PAR ID:
10493249
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
The European Physical Journal C
Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
83
Issue:
6
ISSN:
1434-6052
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract A search for leptoquark pair production decaying into$$te^- \bar{t}e^+$$ t e - t ¯ e + or$$t\mu ^- \bar{t}\mu ^+$$ t μ - t ¯ μ + in final states with multiple leptons is presented. The search is based on a dataset ofppcollisions at$$\sqrt{s}=13~\text {TeV} $$ s = 13 TeV recorded with the ATLAS detector during Run 2 of the Large Hadron Collider, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$$^{-1}$$ - 1 . Four signal regions, with the requirement of at least three light leptons (electron or muon) and at least two jets out of which at least one jet is identified as coming from ab-hadron, are considered based on the number of leptons of a given flavour. The main background processes are estimated using dedicated control regions in a simultaneous fit with the signal regions to data. No excess above the Standard Model background prediction is observed and 95% confidence level limits on the production cross section times branching ratio are derived as a function of the leptoquark mass. Under the assumption of exclusive decays into$$te^{-}$$ t e - ($$t\mu ^{-}$$ t μ - ), the corresponding lower limit on the scalar mixed-generation leptoquark mass$$m_{\textrm{LQ}_{\textrm{mix}}^{\textrm{d}}}$$ m LQ mix d is at 1.58 (1.59) TeV and on the vector leptoquark mass$$m_{{\tilde{U}}_1}$$ m U ~ 1 at 1.67 (1.67) TeV in the minimal coupling scenario and at 1.95 (1.95) TeV in the Yang–Mills scenario. 
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  2. A<sc>bstract</sc> A measurement of the Higgs boson (H) production via vector boson fusion (VBF) and its decay into a bottom quark-antiquark pair ($$ \textrm{b}\overline{\textrm{b}} $$ b b ¯ ) is presented using proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV and corresponding to an integrated luminosity of 90.8 fb−1. Treating the gluon-gluon fusion process as a background and constraining its rate to the value expected in the standard model (SM) within uncertainties, the signal strength of the VBF process, defined as the ratio of the observed signal rate to that predicted by the SM, is measured to be$$ {\mu}_{\textrm{Hb}\overline{\textrm{b}}}^{\textrm{qqh}}={1.01}_{-0.46}^{+0.55} $$ μ Hb b ¯ qqh = 1.01 0.46 + 0.55 . The VBF signal is observed with a significance of 2.4 standard deviations relative to the background prediction, while the expected significance is 2.7 standard deviations. Considering inclusive Higgs boson production and decay into bottom quarks, the signal strength is measured to be$$ {\mu}_{\textrm{Hb}\overline{\textrm{b}}}^{\textrm{incl}.}={0.99}_{-0.41}^{+0.48} $$ μ Hb b ¯ incl . = 0.99 0.41 + 0.48 , corresponding to an observed (expected) significance of 2.6 (2.9) standard deviations. 
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  3. A<sc>bstract</sc> An analysis of the production of a Higgs boson (H) in association with a top quark-antiquark pair ($$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{H} $$ t t ¯ H ) or a single top quark (tH) is presented. The Higgs boson decay into a bottom quark-antiquark pair (H →$$ \textrm{b}\overline{\textrm{b}} $$ b b ¯ ) is targeted, and three different final states of the top quark decays are considered, defined by the number of leptons (electrons or muons) in the event. The analysis utilises proton-proton collision data collected at the CERN LHC with the CMS experiment at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV in 2016–2018, which correspond to an integrated luminosity of 138 fb−1. The observed$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{H} $$ t t ¯ H production rate relative to the standard model expectation is 0.33 ± 0.26 = 0.33 ± 0.17(stat) ± 0.21(syst). Additionally, the$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{H} $$ t t ¯ H production rate is determined in intervals of Higgs boson transverse momentum. An upper limit at 95% confidence level is set on the tH production rate of 14.6 times the standard model prediction, with an expectation of$$ {19.3}_{-6.0}^{+9.2} $$ 19.3 6.0 + 9.2 . Finally, constraints are derived on the strength and structure of the coupling between the Higgs boson and the top quark from simultaneous extraction of the$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{H} $$ t t ¯ H and tH production rates, and the results are combined with those obtained in other Higgs boson decay channels. 
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  4. Abstract A search for resonances in top quark pair ( t t ) production in final states with two charged leptons and multiple jets is presented, based on proton–proton collision data collected by the CMS experiment at the CERN LHC at s = 13 TeV , corresponding to 138 fb−1. The analysis explores the invariant mass of the t t system and two angular observables that provide direct access to the correlation of top quark and antiquark spins. A significant excess of events is observed near the kinematic t t threshold compared to the non-resonant production predicted by fixed-order perturbative quantum chromodynamics (pQCD). The observed enhancement is consistent with the production of a color-singlet pseudoscalar ( 1 S 0 [ 1 ] ) quasi-bound toponium state, as predicted by non-relativistic quantum chromodynamics. Using a simplified model for 1 S 0 [ 1 ] toponium, the cross section of the excess above the pQCD prediction is measured to be 8.8 1.4 + 1.2 pb
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  5. Abstract A search for supersymmetry involving the pair production of gluinos decaying via off-shell third-generation squarks into the lightest neutralino$$(\tilde{\chi }^0_1)$$ ( χ ~ 1 0 ) is reported. It exploits LHC proton–proton collision data at a centre-of-mass energy$$\sqrt{s} = 13$$ s = 13 TeV with an integrated luminosity of 139 fb$$^{-1}$$ - 1 collected with the ATLAS detector from 2015 to 2018. The search uses events containing large missing transverse momentum, up to one electron or muon, and several energetic jets, at least three of which must be identified as containingb-hadrons. Both a simple kinematic event selection and an event selection based upon a deep neural-network are used. No significant excess above the predicted background is found. In simplified models involving the pair production of gluinos that decay via off-shell top (bottom) squarks, gluino masses less than 2.44 TeV (2.35 TeV) are excluded at 95% CL for a massless$$\tilde{\chi }^0_1.$$ χ ~ 1 0 . Limits are also set on the gluino mass in models with variable branching ratios for gluino decays to$$b\bar{b}\tilde{\chi }^0_1,$$ b b ¯ χ ~ 1 0 , $$t\bar{t}\tilde{\chi }^0_1$$ t t ¯ χ ~ 1 0 and$$t\bar{b}\tilde{\chi }^-_1/\bar{t}b\tilde{\chi }^+_1.$$ t b ¯ χ ~ 1 - / t ¯ b χ ~ 1 + .  
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