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Title: Search for pair-produced scalar and vector leptoquarks decaying into third-generation quarks and first- or second-generation leptons in pp collisions with the ATLAS detector
A<sc>bstract</sc> A search for pair-produced scalar and vector leptoquarks decaying into quarks and leptons of different generations is presented. It uses the full LHC Run 2 (2015–2018) data set of 139 fb−1collected with the ATLAS detector in proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV. Scalar leptoquarks with charge −(1/3)eas well as scalar and vector leptoquarks with charge +(2/3)eare considered. All possible decays of the pair-produced leptoquarks into quarks of the third generation (t, b) and charged or neutral leptons of the first or second generation (e, μ, ν) with exactly one electron or muon in the final state are investigated. No significant deviations from the Standard Model expectation are observed. Upper limits on the production cross-section are provided for eight models as a function of the leptoquark mass and the branching ratio of the leptoquark into the charged or neutral lepton. In addition, lower limits on the leptoquark masses are derived for all models across a range of branching ratios. Two of these models have the goal of providing an explanation for the recentB-anomalies. In both models, a vector leptoquark decays into charged and neutral leptons of the second generation with a similar branching fraction. Lower limits of 1980 GeV and 1710 GeV are set on the leptoquark mass for these two models.  more » « less
Award ID(s):
2111244
PAR ID:
10498424
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> 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 fb−1. 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$$ {M}_{\textrm{h}}^{125} $$ M h 125 and$$ {M}_{\textrm{h},\textrm{EFT}}^{125} $$ M h , EFT 125 minimal supersymmetric SM benchmark scenarios, additional Higgs bosons with masses below 350 GeV are excluded at 95% CL. 
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  2. A<sc>bstract</sc> A search for heavy neutral leptons (HNLs) of Majorana or Dirac type using proton-proton collision data at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV is presented. The data were collected by the CMS experiment at the CERN LHC and correspond to an integrated luminosity of 138 fb−1. Events with three charged leptons (electrons, muons, and hadronically decaying tau leptons) are selected, corresponding to HNL production in association with a charged lepton and decay of the HNL to two charged leptons and a standard model (SM) neutrino. The search is performed for HNL masses between 10 GeV and 1.5 TeV. No evidence for an HNL signal is observed in data. Upper limits at 95% confidence level are found for the squared coupling strength of the HNL to SM neutrinos, considering exclusive coupling of the HNL to a single SM neutrino generation, for both Majorana and Dirac HNLs. The limits exceed previously achieved experimental constraints for a wide range of HNL masses, and the limits on tau neutrino coupling scenarios with HNL masses above the W boson mass are presented for the first time. 
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  3. A<sc>bstract</sc> A search for a charged Higgs boson H±decaying into a heavy neutral Higgs boson H and a W boson is presented. The analysis targets the H decay into a pair of tau leptons with at least one of them decaying hadronically and with an additional electron or muon present in the event. The search is based on proton-proton collision data recorded by the CMS experiment during 2016–2018 at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. The data are consistent with standard model background expectations. Upper limits at 95% confidence level are set on the product of the cross section and branching fraction for an H±in the mass range of 300–700 GeV, assuming an H with a mass of 200 GeV. The observed limits range from 0.085 pb for an H±mass of 300 Ge V to 0.019 pb for a mass of 700 GeV. These are the first limits on H±production in the H±→HW±decay channel at the LHC. 
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  4. A<sc>bstract</sc> A search for a new heavy scalar particleXdecaying into a Standard Model (SM) Higgs boson and a new singlet scalar particleSis presented. The search uses a proton-proton (pp) collision data sample with an integrated luminosity of 140 fb−1recorded at a centre-of-mass energy of$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The most sensitive mass parameter space is explored inXmass ranging from 500 to 1500 GeV, with the correspondingSmass in the range 200–500 GeV. The search selects events with two hadronically decayingτ-lepton candidates fromH→τ+τdecays and one or two light leptons (ℓ=e,μ) fromS→VV(V=W,Z) decays while the remainingVboson decays hadronically or to neutrinos. A multivariate discriminant based on event kinematics is used to separate the signal from the background. No excess is observed beyond the expected SM background and 95% confidence level upper limits between 72 fb and 542 fb are derived on the cross-sectionσ(pp→X→SH) assuming the same SM-Higgs boson-like decay branching ratios for theS→VVdecay. Upper limits on the visible cross-sectionsσ(pp→X→SH→WWττ) andσ(pp→X→SH→ZZττ) are also set in the ranges 3–26 fb and 6–33 fb, respectively. 
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  5. Abstract This paper reports a search for Higgs boson pair (hh) production in association with a vector boson ($$W\; {\text {o}r}\; Z$$ W o r Z ) using 139 fb$$^{-1}$$ - 1 of proton–proton collision data at$$\sqrt{s}=13\,\text {TeV}$$ s = 13 TeV recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The search is performed in final states in which the vector boson decays leptonically ($$W\rightarrow \ell \nu ,\, Z\rightarrow \ell \ell ,\nu \nu $$ W ν , Z , ν ν with$$\ell =e, \mu $$ = e , μ ) and the Higgs bosons each decay into a pair ofb-quarks. It targetsVhhsignals from both non-resonanthhproduction, present in the Standard Model (SM), and resonanthhproduction, as predicted in some SM extensions. A 95% confidence-level upper limit of 183 (87) times the SM cross-section is observed (expected) for non-resonantVhhproduction when assuming the kinematics are as expected in the SM. Constraints are also placed on Higgs boson coupling modifiers. For the resonant search, upper limits on the production cross-sections are derived for two specific models: one is the production of a vector boson along with a neutral heavy scalar resonanceH, in the mass range 260–1000 GeV, that decays intohh, and the other is the production of a heavier neutral pseudoscalar resonanceAthat decays into aZboson andHboson, where theAboson mass is 360–800 GeV and theHboson mass is 260–400 GeV. Constraints are also derived in the parameter space of two-Higgs-doublet models. 
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