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Title: Search for heavy, long-lived, charged particles with large ionisation energy loss in pp collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV using the ATLAS experiment and the full Run 2 dataset
A<sc>bstract</sc> This paper presents a search for hypothetical massive, charged, long-lived particles with the ATLAS detector at the LHC using an integrated luminosity of 139 fb−1of proton–proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV. These particles are expected to move significantly slower than the speed of light and should be identifiable by their high transverse momenta and anomalously large specific ionisation losses, dE/dx. Trajectories reconstructed solely by the inner tracking system and a dE/dxmeasurement in the pixel detector layers provide sensitivity to particles with lifetimes down to$$ \mathcal{O} $$ O (1) ns with a mass, measured using the Bethe–Bloch relation, ranging from 100 GeV to 3 TeV. Interpretations for pair-production ofR-hadrons, charginos and staus in scenarios of supersymmetry compatible with these particles being long-lived are presented, with mass limits extending considerably beyond those from previous searches in broad ranges of lifetime.  more » « less
Award ID(s):
2111244
PAR ID:
10498418
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Springer
Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2023
Issue:
6
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. A<sc>bstract</sc> A search for long-lived particles decaying into hadrons is presented. The analysis uses 139 fb−1ofppcollision data collected at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV by the ATLAS detector at the LHC using events that contain multiple energetic jets and a displaced vertex. The search employs dedicated reconstruction techniques that significantly increase the sensitivity to long-lived particles decaying in the ATLAS inner detector. Background estimates for Standard Model processes and instrumental effects are extracted from data. The observed event yields are compatible with those expected from background processes. The results are used to set limits at 95% confidence level on model-independent cross sections for processes beyond the Standard Model, and on scenarios with pair-production of supersymmetric particles with long-lived electroweakinos that decay via a smallR-parity-violating coupling. The pair-production of electroweakinos with masses below 1.5 TeV is excluded for mean proper lifetimes in the range from 0.03 ns to 1 ns. When produced in the decay of$$ m\left(\overset{\sim }{g}\right) $$ m g ~ = 2.4 TeV gluinos, electroweakinos with$$ m\left({\overset{\sim }{\chi}}_1^0\right) $$ m χ ~ 1 0 = 1.5 TeV are excluded with lifetimes in the range of 0.02 ns to 4 ns. 
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  2. A<sc>bstract</sc> Measurements of fiducial and total inclusive cross sections for W and Z boson production are presented in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 5.02 and 13 TeV. Electron and muon decay modes (ℓ= e orμ) are studied in the data collected with the CMS detector in 2017, in dedicated runs with reduced instantaneous luminosity. The data sets correspond to integrated luminosities of 298 ± 6 pb−1at 5.02 TeV and 206 ± 5 pb−1at 13 TeV. Measured values of the products of the total inclusive cross sections and the branching fractions at 5.02 TeV areσ(pp→W + X)$$ \mathcal{B} $$ B (W→ ℓν) = 7300±10 (stat)±60 (syst)±140 (lumi) pb, andσ(pp→Z+X)$$ \mathcal{B} $$ B (Z→ ℓ+) = 669±2 (stat)±6 (syst)±13 (lumi) pb for the dilepton invariant mass in the range of 60–120 GeV. The corresponding results at 13 TeV are 20480±10 (stat)±170 (syst)±470 (lumi) pb and 1952±4 (stat)±18 (syst)±45 (lumi) pb. The measured values agree with cross section calculations at next-to-next-to-leading-order in perturbative quantum chromodynamics. Fiducial and total inclusive cross sections, ratios of cross sections of W+and Wproduction as well as inclusive W and Z boson production, and ratios of these measurements at 5.02 and 13 TeV are reported. 
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  3. A<sc>bstract</sc> A search for long-lived heavy neutral leptons (HNLs) using proton-proton collision data corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1collected at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV with the CMS detector at the CERN LHC is presented. Events are selected with a charged lepton originating from the primary vertex associated with the proton-proton interaction, as well as a second charged lepton and a hadronic jet associated with a secondary vertex that corresponds to the semileptonic decay of a long-lived HNL. No excess of events above the standard model expectation is observed. Exclusion limits at 95% confidence level are evaluated for HNLs that mix with electron and/or muon neutrinos. Limits are presented in the mass range of 1–16.5 GeV, with excluded square mixing parameter values reaching as low as 2 × 10−7. For masses above 11 GeV, the presented limits exceed all previous results in the semileptonic decay channel, and for some of the considered scenarios are the strongest to date. 
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  4. A<sc>bstract</sc> ThepT-differential production cross sections of non-prompt D0, D+, and$$ {\textrm{D}}_{\textrm{s}}^{+} $$ D s + mesons originating from beauty-hadron decays are measured in proton–proton collisions at a centre-of-mass energy$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV. The measurements are performed at midrapidity, |y|<0.5, with the data sample collected by ALICE from 2016 to 2018. The results are in agreement with predictions from several perturbative QCD calculations. The fragmentation fraction of beauty quarks to strange mesons divided by the one to non-strange mesons,fs/(fu+fd), is found to be 0.114 ± 0.016 (stat.) ± 0.006 (syst.) ± 0.003 (BR) ± 0.003 (extrap.). This value is compatible with previous measurements at lower centre-of-mass energies and in different collision systems in agreement with the assumption of universality of fragmentation functions. In addition, the dependence of the non-prompt D meson production on the centre-of-mass energy is investigated by comparing the results obtained at$$ \sqrt{s} $$ s = 5.02 and 13 TeV, showing a hardening of the non-prompt D-mesonpT-differential production cross section at higher$$ \sqrt{s} $$ s . Finally, the$$ \textrm{b}\overline{\textrm{b}} $$ b b ¯ production cross section per unit of rapidity at midrapidity is calculated from the non-prompt D0, D+,$$ {\textrm{D}}_{\textrm{s}}^{+} $$ D s + , and$$ {\Lambda}_{\textrm{c}}^{+} $$ Λ c + hadron measurements, obtaining$$ \textrm{d}\sigma /\textrm{d}y=75.2\pm 3.2\left(\textrm{stat}.\right)\pm 5.2{\left(\textrm{syst}.\right)}_{-3.2}^{+12.3}\left(\textrm{extrap}.\right) $$ d σ / d y = 75.2 ± 3.2 stat . ± 5.2 syst . 3.2 + 12.3 extrap . μb. 
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