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This content will become publicly available on June 1, 2024

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 fb1of 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.

 
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Award ID(s):
2111244
NSF-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>

    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 fb1. 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 for(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. A<sc>bstract</sc>

    Three searches are presented for signatures of physics beyond the standard model (SM) inττfinal states in proton-proton collisions at the LHC, using a data sample collected with the CMS detector at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb1. Upper limits at 95% confidence level (CL) are set on the products of the branching fraction for the decay intoτleptons and the cross sections for the production of a new bosonϕ, in addition to the H(125) boson, via gluon fusion (ggϕ) or in association with b quarks, ranging from$$ \mathcal{O} $$O(10 pb) for a mass of 60 GeV to 0.3 fb for a mass of 3.5 TeV each. The data reveal two excesses for ggϕproduction with localp-values equivalent to about three standard deviations atmϕ= 0.1 and 1.2 TeV. In a search fort-channel exchange of a vector leptoquark U1, 95% CL upper limits are set on the dimensionless U1leptoquark coupling to quarks andτleptons ranging from 1 for a mass of 1 TeV to 6 for a mass of 5 TeV, depending on the scenario. In the interpretations of the$$ {M}_{\textrm{h}}^{125} $$Mh125and$$ {M}_{\textrm{h},\textrm{EFT}}^{125} $$Mh,EFT125minimal supersymmetric SM benchmark scenarios, additional Higgs bosons with masses below 350 GeV are excluded at 95% CL.

     
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  3. A<sc>bstract</sc>

    This article presents a search for new resonances decaying into aZorWboson and a 125 GeV Higgs bosonh, and it targets the$$ \nu \overline{\nu}b\overline{b} $$νν¯bb¯,$$ {\ell}^{+}{\ell}^{-}b\overline{b} $$+bb¯, or$$ {\ell}^{\pm}\nu b\overline{b} $$±νbb¯final states, where=eorμ, in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV. The data used correspond to a total integrated luminosity of 139 fb1collected by the ATLAS detector during Run 2 of the LHC at CERN. The search is conducted by examining the reconstructed invariant or transverse mass distributions ofZhorWhcandidates for evidence of a localised excess in the mass range from 220 GeV to 5 TeV. No significant excess is observed and 95% confidence-level upper limits between 1.3 pb and 0.3 fb are placed on the production cross section times branching fraction of neutral and charged spin-1 resonances and CP-odd scalar bosons. These limits are converted into constraints on the parameter space of the Heavy Vector Triplet model and the two-Higgs-doublet model.

     
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  4. Abstract

    A search for pair-produced vector-like quarks using events with exactly one lepton (eor$$\mu $$μ), at least four jets including at least oneb-tagged jet, and large missing transverse momentum is presented. Data from proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of$$\sqrt{s}=$$s=13 $$\text {TeV}$$TeV, recorded by the ATLAS detector at the LHC from 2015 to 2018 and corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$$^{-1}$$-1, are analysed. Vector-like partnersTandBof the top and bottom quarks are considered, as is a vector-likeXwith charge$$+5/3$$+5/3, assuming their decay into aW,Z, or Higgs boson and a third-generation quark. No significant deviations from the Standard Model expectation are observed. Upper limits on the production cross-section ofTandBquark pairs as a function of their mass are derived for various decay branching ratio scenarios. The strongest lower limits on the masses are 1.59 $$\text {TeV}$$TeVassuming mass-degenerate vector-like quarks and branching ratios corresponding to the weak-isospin doublet model, and 1.47 $$\text {TeV}$$TeV(1.46 $$\text {TeV}$$TeV) for exclusive$$T \rightarrow Zt$$TZt($$B/X \rightarrow Wt$$B/XWt) decays. In addition, lower limits on theTandBquark masses are derived for all possible branching ratios.

     
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  5. 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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