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This content will become publicly available on June 1, 2024

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 ($$t\bar{t}t\bar{t}$$tt¯tt¯) production in proton-proton collisions at the LHC. The analysis is performed using an integrated luminosity of 140 $$\hbox {fb}^{-1}$$fb-1at 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$$t\bar{t}t\bar{t}$$tt¯tt¯signal with respect to the standard model (SM) background-only hypothesis is 6.1 (4.3) standard deviations. The$$t\bar{t}t\bar{t}$$tt¯tt¯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±2.4fb 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$$t\bar{t}t\bar{t}$$tt¯tt¯production.

 
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Award ID(s):
2046280
NSF-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. 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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  2. 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~10)is reported. It exploits LHC proton–proton collision data at a centre-of-mass energy$$\sqrt{s} = 13$$s=13TeV with an integrated luminosity of 139 fb$$^{-1}$$-1collected 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~10.Limits are also set on the gluino mass in models with variable branching ratios for gluino decays to$$b\bar{b}\tilde{\chi }^0_1,$$bb¯χ~10,$$t\bar{t}\tilde{\chi }^0_1$$tt¯χ~10and$$t\bar{b}\tilde{\chi }^-_1/\bar{t}b\tilde{\chi }^+_1.$$tb¯χ~1-/t¯bχ~1+.

     
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  3. 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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  4. Abstract

    Measurements of the associated production of a W boson and a charm ($${\text {c}}$$c) quark in proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of 8$$\,\text {TeV}$$TeVare reported. The analysis uses a data sample corresponding to a total integrated luminosity of 19.7$$\,\text {fb}^{-1}$$fb-1collected by the CMS detector at the LHC. The W bosons are identified through their leptonic decays to an electron or a muon, and a neutrino. Charm quark jets are selected using distinctive signatures of charm hadron decays. The product of the cross section and branching fraction$$\sigma (\text {p}\text {p}\rightarrow \text {W}+ {\text {c}}+ \text {X}) {\mathcal {B}}(\text {W}\rightarrow \ell \upnu )$$σ(ppW+c+X)B(Wν), where$$\ell = \text {e}$$=eor$$\upmu $$μ, and the cross section ratio$$\sigma (\text {p}\text {p}\rightarrow {{\text {W}}^{+} + \bar{{\text {c}}} + \text {X}}) / \sigma (\text {p}\text {p}\rightarrow {{\text {W}}^{-} + {\text {c}}+ \text {X}})$$σ(ppW++c¯+X)/σ(ppW-+c+X)are measured in a fiducial volume and differentially as functions of the pseudorapidity and of the transverse momentum of the lepton from the W boson decay. The results are compared with theoretical predictions. The impact of these measurements on the determination of the strange quark distribution is assessed.

     
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  5. 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$$p_{\textrm{T}} (\ell \ell )$$pT(), and$$\varphi ^{*}_{\eta }$$φη. The$$\varphi ^{*}_{\eta }$$φηobservable, derived from angular measurements of the leptons and highly correlated with$$p_{\textrm{T}} (\ell \ell )$$pT(), is used to probe the low-$$p_{\textrm{T}} (\ell \ell )$$pT()region in a complementary way. Dilepton masses up to 1$$\,\text {Te\hspace{-.08em}V}$$TeVare 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$$m_{\ell \ell }$$mranges 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-1of proton–proton collisions recorded with the CMS detector at the LHC at a centre-of-mass energy of 13$$\,\text {Te\hspace{-.08em}V}$$TeV. Measurements are compared with predictions based on perturbative quantum chromodynamics, including soft-gluon resummation.

     
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