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Title: Search for dark matter produced in association with a single top quark and an energetic W boson in $$\sqrt{s}=$$ 13 TeV $$pp$$ collisions with the ATLAS detector
Abstract

This paper presents a search for dark matter,$$\chi $$χ, using events with a single top quark and an energeticWboson. The analysis is based on proton–proton collision data collected with the ATLAS experiment at$$\sqrt{s}=$$s=13 TeV during LHC Run 2 (2015–2018), corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$$^{-1}$$-1. The search considers final states with zero or one charged lepton (electron or muon), at least oneb-jet and large missing transverse momentum. In addition, a result from a previous search considering two-charged-lepton final states is included in the interpretation of the results. The data are found to be in good agreement with the Standard Model predictions and the results are interpreted in terms of 95% confidence-level exclusion limits in the context of a class of dark matter models involving an extended two-Higgs-doublet sector together with a pseudoscalar mediator particle. The search is particularly sensitive to on-shell production of the charged Higgs boson state,$$H^{\pm }$$H±, arising from the two-Higgs-doublet mixing, and its semi-invisible decays via the mediator particle,a:$$H^{\pm } \rightarrow W^\pm a (\rightarrow \chi \chi )$$H±W±a(χχ). Signal models with$$H^{\pm }$$H±masses up to 1.5 TeV andamasses up to 350 GeV are excluded assuming a$$\tan \beta $$tanβvalue of 1. For masses ofaof 150 (250) GeV,$$\tan \beta $$tanβvalues up to 2 are excluded for$$H^{\pm }$$H±masses between 200 (400) GeV and 1.5 TeV. Signals with$$\tan \beta $$tanβvalues between 20 and 30 are excluded for$$H^{\pm }$$H±masses between 500 and 800 GeV.

 
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Award ID(s):
2111244
PAR ID:
10498441
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Springer
Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
83
Issue:
7
ISSN:
1434-6052
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. 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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  2. 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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  3. Abstract

    This paper reports a search for Higgs boson pair (hh) production in association with a vector boson ($$W\; {\text {o}r}\; Z$$WorZ) using 139 fb$$^{-1}$$-1of proton–proton collision data at$$\sqrt{s}=13\,\text {TeV}$$s=13TeVrecorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The search is performed in final states in which the vector boson decays leptonically ($$W\rightarrow \ell \nu ,\, Z\rightarrow \ell \ell ,\nu \nu $$Wν,Z,ννwith$$\ell =e, \mu $$=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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  4. A<sc>bstract</sc>

    Several extensions of the Standard Model predict the production of dark matter particles at the LHC. A search for dark matter particles produced in association with a dark Higgs boson decaying intoW+Win the$$ {\ell}^{\pm}\nu q{\overline{q}}^{\prime }, $$±νqq¯,final states with=e, μis presented. This analysis uses 139 fb1ofppcollisions recorded by the ATLAS detector at a centre-of-mass energy of 13 TeV. TheW±$$ q\overline{q^{\prime }} $$qq¯decays are reconstructed from pairs of calorimeter-measured jets or from track-assisted reclustered jets, a technique aimed at resolving the dense topology from a pair of boosted quarks using jets in the calorimeter and tracking information. The observed data are found to agree with Standard Model predictions. Scenarios with dark Higgs boson masses ranging between 140 and 390 GeV are excluded.

     
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  5. 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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