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Title: Search for long-lived heavy neutral leptons decaying in the CMS muon detectors in proton-proton collisions at s=13  TeV
A search for heavy neutral leptons (HNLs) decaying in the CMS muon system is presented. A data sample is used corresponding to an integrated luminosity of 138 fb 1 of proton-proton collisions at s = 13 TeV , recorded at the CERN LHC in 2016–2018. Decay products of long-lived HNLs could interact with the shielding materials in the CMS muon system and create hadronic and electromagnetic showers detected in the muon chambers. This distinctive signature provides a unique handle to search for HNLs with masses below 4 GeV and proper decay lengths of the order of meters. The signature is sensitive to HNL couplings to all three generations of leptons. Candidate events are required to contain a prompt electron or muon originating from a vertex on the beam axis and a displaced shower in the muon chambers. No significant deviations from the standard model background expectation are observed. In the electron (muon) channel, the most stringent limits to date are set for HNLs in the mass range of 2.1–3.0 (1.9–3.3) GeV, reaching mixing matrix element squared values as low as 8.6 ( 4.6 ) × 10 6 . © 2024 CERN, for the CMS Collaboration2024CERN  more » « less
Award ID(s):
2209557 2209553 2121686
PAR ID:
10530157
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
American Physical Society
Date Published:
Journal Name:
Physical Review D
Volume:
110
Issue:
1
ISSN:
2470-0010
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. A search for pair production of scalar and vector leptoquarks (LQs) each decaying to a muon and a bottom quark is performed using proton-proton collision data collected at s = 13 TeV with the CMS detector at the CERN LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb 1 . No excess above standard model expectation is observed. Scalar (vector) LQs with masses less than 1810 (2120) GeV are excluded at 95% confidence level, assuming a 100% branching fraction of the LQ decaying to a muon and a bottom quark. These limits represent the most stringent to date. © 2024 CERN, for the CMS Collaboration2024CERN 
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  2. A search for long-lived particles (LLPs) decaying in the CMS muon detectors is presented. A data sample of proton-proton collisions at s = 13 TeV corresponding to an integrated luminosity of 138 fb 1 , recorded at the LHC in 2016–2018, is used. The decays of LLPs are reconstructed as high multiplicity clusters of hits in the muon detectors. In the context of twin Higgs models, the search is sensitive to LLP masses from 0.4 to 55 GeV and a broad range of LLP decay modes, including decays to hadrons, τ leptons, electrons, or photons. No excess of events above the standard model background is observed. The most stringent limits to date from LHC data are set on the branching fraction of the Higgs boson decay to a pair of LLPs with masses below 10 GeV. This search also provides the best limits for various intervals of LLP proper decay length and mass. Finally, this search sets the first limits at the LHC on a dark quantum chromodynamic sector whose particles couple to the Higgs boson through gluon, Higgs boson, photon, vector, and dark-photon portals, and is sensitive to branching fractions of the Higgs boson to dark quarks as low as 2 × 10 3 . © 2024 CERN, for the CMS Collaboration2024CERN 
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  3. A search is presented for an extended Higgs sector with two new particles, X and ϕ , in the process X ϕ ϕ ( γ γ ) ( γ γ ) . Novel neural networks classify events with diphotons that are merged and determine the diphoton masses. The search uses LHC proton-proton collision data at s = 13 TeV collected with the CMS detector, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb 1 . No evidence of such resonances is seen. Upper limits are set on the production cross section for m X between 300 and 3000 GeV and m ϕ / m X between 0.5% and 2.5%, representing the most sensitive search in this channel. © 2025 CERN, for the CMS Collaboration2025CERN 
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  4. A search is presented for high-mass exclusive diphoton production via photon-photon fusion in proton-proton collisions at s = 13 TeV in events where both protons survive the interaction. The analysis utilizes data corresponding to an integrated luminosity of 103 fb 1 collected in 2016–2018 with the central CMS detector and the CMS and TOTEM precision proton spectrometer (PPS). Events that have two photons with high transverse momenta ( p T γ > 100 GeV ), back-to-back in azimuth, and with a large diphoton invariant mass ( m γ γ > 350 GeV ) are selected. To remove the dominant inclusive diphoton backgrounds, the kinematic properties of the protons detected in PPS are required to match those of the central diphoton system. Only events having opposite-side forward protons detected with a fractional momentum loss between 0.035 and 0.15 (0.18) for the detectors on the negative (positive) side of CMS are considered. One exclusive diphoton candidate is observed for an expected background of 1.1 events. Limits at 95% confidence level are derived for the four-photon anomalous coupling parameters | ζ 1 | < 0.073 TeV 4 and | ζ 2 | < 0.15 TeV 4 , using an effective field theory. Additionally, upper limits are placed on the production of axionlike particles with coupling strength to photons f 1 that varies from 0.03 TeV 1 to 1 TeV 1 over the mass range from 500 to 2000 GeV. © 2024 CERN, for the CMS and TOTEMs Collaboration2024CERN 
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  5. A search is described for the production of a pair of bottom-type vectorlike quarks ( B VLQs) with mass greater than 1000 GeV. Each B VLQ decays into a b quark and a Higgs boson, a b quark and a Z boson, or a t quark and a W boson. This analysis considers both fully hadronic final states and those containing a charged lepton pair from a Z boson decay. The products of the H b b boson decay and of the hadronic Z or W boson decays can be resolved as two distinct jets or merged into a single jet, so the final states are classified by the number of reconstructed jets. The analysis uses data corresponding to an integrated luminosity of 138 fb 1 collected in proton-proton collisions at s = 13 TeV with the CMS detector at the LHC from 2016 to 2018. No excess over the expected background is observed. Lower limits are set on the B VLQ mass at the 95% confidence level. These depend on the B VLQ branching fractions and are 1570 and 1540 GeV for 100% B b H and 100% B b Z , respectively. In most cases, the mass limits obtained exceed previous limits by at least 100 GeV. © 2024 CERN, for the CMS Collaboration2024CERN 
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