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  • Search for heavy neutral leptons in final states with electrons, muons, and hadronically decaying tau leptons in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV
Title: Search for heavy neutral leptons in final states with electrons, muons, and hadronically decaying tau leptons in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV
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.  more » « less
Award ID(s):
2209557 2209553 2121686
PAR ID:
10530156
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Springer
Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2024
Issue:
6
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
More Like this
  1. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    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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  2. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> A search for long-lived heavy neutral leptons (HNLs) is presented, which considers the hadronic final state and coupling scenarios involving all three lepton generations in the 2–20 GeV HNL mass range for the first time. Events comprising two leptons (electrons or muons) and jets are analyzed in a data sample of proton-proton collisions, recorded with the CMS experiment at the CERN LHC at a centre-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. A novel jet tagger, based on a deep neural network, has been developed to identify jets from an HNL decay using various features of the jet and its constituent particles. The network output can be used as a powerful discriminating tool to probe a broad range of HNL lifetimes and masses. Contributions from background processes are determined from data. No excess of events in data over the expected background is observed. Upper limits on the HNL production cross section are derived as functions of the HNL mass and the three coupling strengthsVℓNto each lepton generationℓand presented as exclusion limits in the coupling-mass plane, as lower limits on the HNL lifetime, and on the HNL mass. In this search, the most stringent limit on the coupling strength is obtained for pure muon coupling scenarios; values of|$$ {V}_{\mu \textrm{N}}^2 $$ V μ N 2 |> 5 (4)×10−7are excluded for Dirac (Majorana) HNLs with a mass of 10 GeV at a confidence level of 95% that correspond to proper decay lengths of 17 (10) mm. 
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  3. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    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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  4. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> The polarization ofτleptons is measured using leptonic and hadronicτlepton decays in Z →τ+τ−events in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV recorded by CMS at the CERN LHC with an integrated luminosity of 36.3 fb−1. The measuredτ−lepton polarization at the Z boson mass pole is$$ {\mathcal{P}}_{\tau}\left(\textrm{Z}\right) $$ P τ Z = −0.144 ± 0.006 (stat) ± 0.014 (syst) = −0.144 ± 0.015, in good agreement with the measurement of theτlepton asymmetry parameter ofAτ= 0.1439 ± 0.0043 =$$ -{\mathcal{P}}_{\tau}\left(\textrm{Z}\right) $$ − P τ Z at LEP. Theτlepton polarization depends on the ratio of the vector to axial-vector couplings of theτleptons in the neutral current expression, and thus on the effective weak mixing angle sin2$$ {\theta}_{\textrm{W}}^{\textrm{eff}} $$ θ W eff , independently of the Z boson production mechanism. The obtained value sin2$$ {\theta}_{\textrm{W}}^{\textrm{eff}} $$ θ W eff = 0.2319 ± 0.0008(stat) ± 0.0018(syst) = 0.2319 ± 0.0019 is in good agreement with measurements ate+e−colliders. 
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  5. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A bstract A search for heavy neutral leptons (HNLs), the right-handed Dirac or Majorana neutrinos, is performed in final states with three charged leptons (electrons or muons) using proton-proton collision data collected by the CMS experiment at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV at the CERN LHC. The data correspond to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . The HNLs could be produced through mixing with standard model neutrinos ν . For small values of the HNL mass ( < 20 GeV) and the square of the HNL- ν mixing parameter (10 − 7 –10 − 2 ), the decay length of these particles can be large enough so that the secondary vertex of the HNL decay can be resolved with the CMS silicon tracker. The selected final state consists of one lepton emerging from the primary proton-proton collision vertex, and two leptons forming a displaced, secondary vertex. No significant deviations from the standard model expectations are observed, and constraints are obtained on the HNL mass and coupling strength parameters, excluding previously unexplored regions of parameter space in the mass range 1–20 GeV and squared mixing parameter values as low as 10 − 7 . 
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